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Der Beitrag für das "7. Nordisk Symposium i Lydkontrollteknik" vom 6. bis 7. Mai 1976 bemüht sich, eine Übersicht über Anforderungen, technische Ausführung und Handhabung der im Rundfunk und Fernsehen verwendeten Mikrofone zu geben.

Nach einem kurzen geschichtlichen Überblick werden die beiden Klassen der dynamischen und kapazitiven Mikrofone betrachtet. Diese beiden Klassen sind in ihren mannigfachen Varianten zur Zeit nahezu ausschließlich im Einsatz.

Je nach Anwendungszweck und Einsatzort ergeben sich aber nicht nur unterschiedliche Bauformen, sondern auch einzelne besonders betonte und herausentwickelte Eigenschaften, Zukünftige Verbesserungen im Hinblick auf die Weiterentwicklung bekannter Wandlertechno]ogien oder das Einführen neuer Technologien werden stets ihre Basis in den theoretischen Erkenntnissen haben, die nun aus etwa hundertjähriger Entwicklungsarbeit an diesen Aufnahmewandlern zur Verfügung stehen.

Für den Aufnahmewandler in der seit Jahrzehnten entwickelten Technik besteht die Aufgabe, die akustischen Größen des Schallfeldes in elektrische umzuformen. Dafür stehen viele Wandlerprinzipien zur Verfügung, die schematisch im Bild 1 zu sehen sind. In der dritten Zeile dieses Bildes sind insgesamt sechs Mikrofontypen aufgeführt, die sich in unterschiedlicher Art in Gruppen zusammenfassen lassen.
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Die obere Zweiteilung unterscheidet zwischen passiven Wandlern und aktiven Wandlern. Passive Wandler sind hier definiert als Wandler, die ohne Aufnahme von Leistung die Schallfeldgrößen direkt in elektrische Größen umformen. Aktive Wandler dagegen steuern nur die zur Verfügung gestellte Leistung einer Quelle. Nach dem Arbeitsprinzip ist eine zweite Unterteilung in Geschwindigkeits-und Elongationsempfänger möglich. Die dritte Einteilung bezieht sich auf die Richteigenschaften und unterscheidet zwischen Druckgradienten-und Druckempfängern.

Dynamische Mikrofone arbeiten nach dem Induktionsgesetz. Die stets notwendigen Dauermagnete als Träger statischer Energie dienen nur zur Erzeugung des magnetischen Feldes, in das die Spule eintaucht. Die in der Spule induzierte Spannung ist der Geschwindigkeit des Spulenleiters im magnetischen Feld proportional.

Ebenfalls nach dem Induktionsprinzip und unter Verwendung eines Dauermagneten arbeiten die magnetischen Mikrofone, bei denen lediglich eine Umkehrung derart erfolgt, daß die Spule feststehend ist und die Membran mit ihrer Bewegung die Eigenschaften des magnetischen Kreises steuert. Kondensatormikrofone nach dem Niederfrequenzprinzip arbeiten mit Hilfe eines elektrischen Feldes. Als Elongationsempfänger ist die von ihnen angegebene Spannung der Auslenkung und nicht der Geschwindigkeit der Membran proportional.

Über Jahrzehnte hinweg wurde das elektrostatische Feld über eine äußere Gleichspannungsquelle bereitgestellt. Seit einigen Jahren stehen mit den Elektretmaterialien "eingefrorene" Felder zur Verfügung. Der Elektreteffekt ist selbst zwar seit langem bekannt, jedoch sind erst in jüngerer Zeit genügend stabile Materialien für ein dauerhaftes Feld gefunden worden.

Kristallmikrofone haben sich lange einer weiten Verbreitung erfreut. Durch piezoelektrischen Effekt erzeugen sie ihre Spannung je nach der Verformung durch das äußere Schallfeld. Ursprünglich verwendetes natürliches Material wurde bald durch stabileres piezokeramisches Material ersetzt. Für Mikrofone kommt das Wandlerprinzip nur noch selten zur Anwendung, jedoch wird es noch häufig bei preiswerten Tonabnehmersystemen eingesetzt.

In der Gruppe der aktiven Wandler steht als erstes das Hochfrequenz- Kondensatormikrofon. Je nach Auslenkung der Membran durch das Schallfeld ändert es seine Impedanz in einem elektrischen Kreis, der von einem Hochfrequenzgenerator gespeist wird.

Das Pendant zum Hochfrequenz-Kondensatormikrofon auf der Niederfrequenzseite ist das altbewährte Kohlemikrofon, dessen Impedanzänderung im gleichstromgespeisten Kreis oft als "zum Prinzip erhobener Wackelkontakt" bezeichnet wurde.

Nicht explizit ersichtlich im Bild 1 ist ein Mikrofontyp, der voraussichtlich in Zukunft größere Bedeutung erhalten wird. Es handelt sich dabei um piezoelektrische Wandler auf der Basis organischer Folien.

Diese "Piezopolymer"-Wandler gehören in die Gruppe mit "innerer Polarisationsspannung", in der bisher nur das Kristallmikrofon verzeichnet ist. Bei diesen Folien bilden die Moleküle einen mehr oder weniger kristallinen Aufbau. Das Wandlerprinzip vereinigt die Vorzüge hoher Empfindlichkeit mit denen großer Kapazität und Bruchsicherheit. Serienprodukte nach diesem Prinzip gibt es derzeit nur als Kopfhörer.
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Aufgrund ihrer Qualitätsmerkmale sind bei Hörfunk und Fernsehen praktisch nur dynamische und kapazitive Mikrofone im Einsatz. Bei dynamischen Mikrofonen schätzt man die Robustheit, die oft problemlose Handhabung und die Unabhängigkeit von Speisequellen.

Kondensatormikrofone werden eingesetzt, wo es auf gegenüber dynamischen weiter gesteigerte Aufnahmetreue ankommt oder wo Sonderausführungen mit dem dynamischen Prinzip nicht mehr zu verwirklichen sind.

Das MD 21 von Sennheiser electronic ist nun seit etwa 20 Jahren als problemloses Mikrofon vor allem bei Außenübertragungen und Reportagen im Einsatz. Aufgrund seiner Kugelcharakteristik können auch ungeübte Moderatoren damit umgehen, ohne daß dem Tontechniker am anderen Ende der Mikrofonleitung Kummer bereitet wird.

Sinnvoller Einsatz von Mikrofonen mit einseitiger Richtwirkung bringt ÜbertragungsVerbesserungen, erfordert aber ein gewisses Minimum an Mikrofonpraxis.

Das MD 421 von Sennheiser ist ebenfalls seit zwei Jahrzehnten als Richtmikrofon in der Praxis bewährt. Die Verwirklichung höher gesteckter Qualitätsziele stellt bei Sennheiser das MD 441 dar, das einen erweiterten Übertragungsbereich bei schlankerer Bauform und höherer Körperschalldämpfung aufweist. Zehn schaltbare Frequenzgänge sind eine Besonderheit dieses Mikrofons. Von einem anderen Hersteller wurde die Verwirklichung einer größeren Übertragungsbandbreite durch die Wahl je eines Systems für den unteren und für den oberen Teil des Übertragungsbereichs angestrebt.

Die zweite große Gruppe der Mikrofone im Rundfunkbereich stellen die Kondensator-Mikrofone dar. Einige Beispiele zeigt Bild 4.

Von einem Hersteller sind dargestellt die Typen C 4l4 und die Kapsel CK 1 mit dem zugehörigen Schaft aus dem Modulprogramm. Ein anderer Hersteller bietet das Stabmikrofon KM 85 sowie das 1973 zur Funkausstellung erstmals gezeigte Solistenmikrofon KMS 85 an.

Die beiden aus dem Sennheiser-Programm gewählten Mikrofone sind das Sprechermikrofon MKH 405 und das kurze Richtrohr MKH 4l5.

Bei den Hochfrequenz-Kondensatormikrofonen der Firma Sennheiser ist das Prinzip insofern verfeinert, als sich die Mikrofonkapsel in einem Phasenmodulationskreis befindet. Die Demodulation erfolgt dann durch Phasenvergleich mit dem Oszillatorsignal. Damit lassen sich überaus niedrige Rauschwerte erreichen.

Die bei der klassischen Niederfrequenzschaltung vorhandene Polarisationspannung für die Kapsel, die zum Aufrechterhalten der konstanten Ladung dient, entfällt beim Elektretprinzip. Es arbeitet aber im übrigen genau wie das vorgenannte Niederfrequenz- Kondensatormikrofon.
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Für ein Mikrofon gibt es eine ganze Reihe von Beurteilungskriterien. Die technischen Anforderungen sind dabei durchaus je nach Einsatzzweck so unterschiedlich, daß es kein "bestes" Mikrofon gibt, sondern nur jeweils spezielle für den entsprechenden Anwendungszweck besonders gut geeignete.

Eine häufig an erster Stelle stehende Größe ist der Übertragungsbereich der Mikrofone. Hierzu ist zu vermerken, daß es sich bei jedem Wandler um ein schwingungsfähiges System handelt, das mechanisch von den Schallfeldgrößen angeregt wird. Im einfachsten Fall antwortet es ähnlich wie angeregte Schwingkreise.

Die Ubertragungsfunktion wird meist als Leerlauf-Übertragungsfunktion angegeben und stellt die Spannung dar, die das Mikrofon in Abhängigkeit von der Frequenz bei konstantem Schalldruck abgibt. Es handelt sich dabei um die reine Amplitudencharakteristik.

Die Übertragungsfunktionen liefern im allgemeinen nur eine Amplitudenaussage, jedoch keine Information über den Phasengang des Systems. Hier besteht ein wesentlicher Unterschied zwischen dynamischen und kapazitiven Wandlern.

Dynamische Wandler erhalten im allgemeinen eine Vielzahl von mechanischen Resonanzen, um die Systeme breitbandig genug zu machen, ohne zuviel Empfindlichkeit zu verlieren. Das Auftreten sehr tieffrequenter Resonanzen hat zudem zur Folge, daß kurzzeitige Anregungen oft zu länger dauernden Ausschwingvorgängen führen.

In dieser Hinsicht sind kapazitive Wandler meist überlegen. Ihre Eigenresonanz liegt in der oberen Hälfte des Ubertragungsbreichs. Zusätzliche mechanische Resonanzen werden selten eingebaut. Statt dessen wird eine elektrische Entzerrung vorgenommen.

Kapazitive Wandler besitzen daher im allgemeinen ein besseres Impulsverhalten als dynamische. In diesem Impulsverhalten wird ein Grund für das trotz ähnlichen Amplitudengangs oft unterschiedliche Klangbild gesehen.

Neben dem Übertragungsbereich steht in vorderster Linie der technischen Daten die von einem Mikrofon angegebene Spannung bei einem festen Schalldruckbezugspegel. In vielen Ländern ist sie als Angabe des Feld-Leerlaufübertragungsfaktors üblich.

Während sie früher auf den Schalldruck 1 ubar bezogen wurde, gilt nach neuester Norm der Bezug auf den l0fachen Schalldruckwert, der heute als 1 Pascal bezeichnet wird.

Bei dynamischen Mikrofonen ist der Übertragungsfaktor stark von der magnetischen Flußdichte im Luftspalt, der Leiterlänge, der Membranfläche und den mechanischen Eigenschaften des schwingungsfähigen Systems abhängig.

Gute breitbandige Mikrofone weisen Übertragungsfaktoren von ca. 2 mV/Pa bei einer Impedanz von 200 Ohm auf. Als Meßfrequenz kommt im allgemeinen 1 kHz in Frage. Die Werte werden im freien Schallfeld bei Beschallung in 1m Abstand ermittelt.

Die von Kondensatormikrofonen angegebene Wechselspannung ist beim Niederfrequenzsystem sowohl von der Polarisationsspannung als auch von der Kapazitätsänderung über die mechanische Empfindlichkeit abhängig.

Beim Hochfrequenzprinzip spielen neben den mechanischen Eigenschaften andere elektrische Größen, z.B. die Steilheit der Demodulatorkennlinie eine Rolle. Wegen der stets vorhandenen Zusammenschaltung mit einer aktiven Stufe ist die Angabe der reinen Kapselempfindlichkeit bei kapazitiven Wandlern von nachgeordneter Bedeutung.

Die für Kondensatormikrofone angegebenen Werte für den Übertragungsfaktor liegen im allgemeinen 5-10mal höher als bei dynamischen Mikrofonen vergleichbarer Impedanzen. Aufgrund der aktiven Schaltung hat man allerdings sehr viele Möglichkeiten, das Ausgangssignal in seiner Größe zu beeinflussen.

Aus praktischen Gründen, z.B. einer optimalen Aussteuerung bei den gegebenen Betriebsspannungen oder einer günstigen Lage zum Eigenrauschen ergibt sich jedoch der angegebene Empfindlichkeitsbereich.
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Wenn soeben das Eigenrauschen angesprochen wurde, so ist dies eine Größe, die nicht in jedem Datenblatt zu finden ist. Für dynamische Mikrofone liegt das Eigengeräusch in einem ziemlich engen Bereich. Es setzt sich zusammen aus dem Rauschen des Ersatzwiderstandes für das Schallfeld, dem Wärmerauschen der Spulenwicklung und einigen anderen Effekten, wie z.B. dem Rauschen akustischer Dämpfungen sowie des Magnetmaterials.

Ein Widerstand von 200 Ohm weist nach der Wärmetheorie bei Zimmertemperatur und einer betrachteten Bandbreite von 20 kHz eine Rauschspannung von ca. 0,25 uV auf. Bezogen auf eine Empfindlichkeit von 2 mV/Pa ergibt dies unbewertet einen äquivalenten Schalldruckpegel von 17 dB bezogen auf die Hörschwelle von 20 uPa.

Unter Einrechnung aller anderen Einflußgrößen und in der bewerteten Messung nach DIN 45405 erhält man allerdings einen Wert von ca. 26 dB.

Zur Messung des Eigengeräusches ist darauf hinzuweisen, daß die unterschiedlichen Meßverfahren auch stark abweichende Werte ergeben.

Während in der deutschen DIN 45405 mit einer Bewertungskurve gemessen und außerdem die Spitzenspannung ermittelt wird, sind viele ausländische Angaben auf A-bewertete Messung und Effektivwertanzeige bezogen. Beide Messungen ergeben im Vergleich je nach Charakteristik des Rauschspektrums Differenzen bis zu 6-8 dB zuungunsten der DIN-Messung. Dies sollte unbedingt beachtet werden, wenn Geräuschspannungsangaben miteinander verglichen werden.

Zur internationalen Situation ist zu bemerken, daß eine Neufassung der CCIR 468 bevorsteht, an die sich auch die DIN 45405 anlehnen wird und die eine Bewertungskurve ähnlich der bisherigen vorsehen wird.
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Nachdem bisher Frequenzgang, Ubertragungsfaktor und Dynamik beleuchtet (betrachtet) waren, verdient auch das Richtverhalten der Mikrofone einige Bemerkungen.

In Bild 16 (Tabelle) sind einige Daten für Wandler angegeben, die sich auf die einfachste Form des Gradientenwandlers zurückführen lassen. Der Bündelungsfaktor gehorcht dabei der in der oberen Zeile angegebenen Funktion des Winkels.

Aus diesem Bündelungsfaktor errechnet sich nach DIN 45591 der Bündelungsgrad. Der angegebene Übergang von der Achter-Charakteristik bis zur Kugel kann auch aufgefaßt werden als Ergebnis der Zusammenschaltung einer Kugel und einer Niere mit stetig veränderten Anteilen, die durch den Parameter a. gegeben sind.
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In der ersten Spalte ist der Typ der Mikrofoncharakteristik angegeben. Die zweite Spalte enthält den bereits definierten Bündelungsgrad. In der dritten Spalte ist der Winkel angegeben, bei dem nach der Theorie kein Ausgangssignal vorliegt und damit eine unendlich hohe Auslöschung gegeben ist. Die vierte Spalte stellt das Verhältnis des Signals aus dem vorderen Halbraum zum Gesamtraumsignal dar. In der nächsten Spalte ist das Verhältnis vorderer Halbraum zu hinterem Halbraum angegeben, das beispielsweise bei Achter- und Kugelcharakteristik natürlich den Wert 1 annimmt. Das Vor-Rück-Verhältnis findet man in Spalte 6.

Die Bündelungsfaktoren unter 90° und l80° sind in den beiden letzten Spalten aufgeführt. Die vier angegebenen Zwischenstadien zwischen Acht und Kugel ergeben sich nach Rettinger und einer Definition des Hauses Sennheiser aus bestimmten Extremwertforderungen.

Die Hypercardioide ist das Ergebnis höchsten Bündelungsgrades. Die bei Sennheiser definierte "Superniere" hat als Hintergrund den Wunsch nach gleichwertiger Auslöschung unter 90° und 180°.

Die Supercardioide liefert den größten Schallaufnahmeanteil im vorderen Halbraum, während die Cardioide das höchste Vor-Rückverhältnis aufweist.

Die Anwendungskriterien für die einzelnen Richtcharakteristiken ergeben sich aus der akustischen Aufgabenstellung am Aufnahmeort.

Die Wahl des richtigen Mikrofons hängt von vielen Kriterien ab. Allgemein gültige Rezepte können praktisch nicht gegeben werden, jedoch können einige wichtige Gesichtspunkte herausgegriffen werden, unter denen Mikrofone mit speziellen Eigenschaften zum Einsatz kommen.

Die unterschiedlichen Arbeitsbedingungen im Studio und dem Außeneinsatz sind von Einfluß auf die Wahl des Mikrofons. Während Größe, Gewicht und Speiseprobleme im ständig betriebsfähigen Studio von untergeordneter Bedeutung sind, spielen sie gerade bei Außeneinsatz häufig eine entscheidende Rolle. Man braucht nur an das Fluggepäck von Filmteams und an die Beschaffungsprobleme von Batterien zu denken, um Unterschiede in den Anforderungen zu erkennen.

Feste Installationen sind beispielsweise in Sendesälen und Hörfunkstudios zu finden. In reinen Sprecher- oder Musikstudios sind häufig großvolumige Standardmikrofone zu finden. Kleinmikrofone wie das MKH 405 z.B. erscheinen dagegen im Bild beim Sprechertisch des Nachrichtensprechers der ARD.

Für Sonderaufgaben im Hörspiel kommt inzwischen auch die Kunstkopfaufnahmetechnik zur Anwendung. Ihre Stärke liegt in der Wiedergabe des räumlichen Erlebnisses in einer bisher nicht gekannten Form beim Abhören über Kopfhörer.

Für Bühnenanlagen ergibt sich meist eine große Entfernung zwischen Sprecher und Mikrofon. An Angel oder Galgen eingesetzte Mikrofone oder aufgehängte Rohrrichtmikrofone wie z.B. das MKH 8l5 werden hier erfolgreich eingesetzt.

Eine noch größere Beweglichkeit als mit leitungsgebundenen Ausführungen erhält man durch die Zusammenfassung eines derartigen Ansteckmikrofons mit einem Sender zu einem drahtlosen Mikrofon (Bild 19).

Drahtlose Mikrofone erweisen sich aber nicht nur als Kombination von Miniaturmikrofon und Taschensender von Nutzen, sondern sie werden auch deutlich sichtbar in ähnlicher Bauform wie normale Mikrofone gern eingesetzt.

Auch für den Reportagedienst haben sich sowohl dynamische als auch Kondensatormikrofone durchgesetzt. Im Gespräch zwischen Interviewer und Befragten werden häufig Mikrofone wie das MD 421 eingesetzt.

Kommentatoren bedienen sich oft dynamischer Lavaliermikrofone. Ebenfalls für das Reportagegespräch eignet sich ein kurzes Richtrohr sehr gut, wenn man im Umgang damit geübt ist (Bild 20).

Auch hier kann natürlich drahtlose Technik angewendet werden. Durch den Einsatz, von Reportagesendeiü hoher Leistung können größere Entfernungen überbrückt werden.

Mikrofone für Hörfunk und Fernsehen haben heute einen derart hohen Qualitätsstand erreicht, daß praktisch für jeden Anwendungszweck geeignete Typen zur Verfügung stehen. Revolutionäre Neuerungen sind derzeit nicht zu erwarten, wohl aber stetige Verbesserungen einzelner Eigenschaften. Diese Verbesserungen sind nur noch in kleinen Schritten möglich.

Von den Wandlerprinzipien her kann sich auf dein Gebiet der Kondensatormikrofone eine gewisse Verlagerung im Hinblick auf die polarisationsspannungslosen Elektretmikrofone ergeben, eventuell sind in fernerer Zeit auch Mikrofone auf Basis der Piezopolymere zu erwarten.

Weitere Verbesserungen an den Mikrofonen müssen Hand in Hand gehen mit einer Steigerung der Leistungsfähigkeit aller anderen in der Übertragungskette beteiligten Bausteine, da sie nur dann voll ausgenutzt werden können.

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• Bore, Gerhart, Die Aufnahme hoher Schalldrücke mit Kondensator-Richtmikrofonen, Bericht 9. Tonmeistertagung, 26.-29. 10.72, Köln, S. 164-171
• Bore, Gerhart, Mikrofone für Studio-und Heimstudio, Anwendungen, Taschenbuch der Unterhaltungselektronik 1973/197/1, Schiele
• 8c Schön, S. 35-100
• Griese, H.-J., Kondensator-Mikrofone der Studiotechnik, Fernseh-und Kinotechnik 24, Berlin 1970, S. 369-372
• Griese, H.-J., Die Entwicklung der dynamischen Mikrofone in den letzten 25 Jahren, FUNK-TECHNIK 25, 1970, S. 4l3-4n6

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