Autor: Eddy Bøgh Brixen | Opracowanie: Marek Witkowski | Redakcja: SKENE
Efekt zbliżeniowy w mikrofonach wyjaśniony – jak wpływa na różne źródła dźwięku.
Efekt zbliżeniowy (ang. proximity effect), jest zjawiskiem silnego uwydatnienia zakresu niskich częstotliwości w przypadku zbliżenia źródła dźwięku do mikrofonu. Mówiąc prościej, występuje on w sytuacji, gdy mikrofon zbliżany do źródła dźwięku (punktowego lub liniowego), powoduje wyolbrzymienie basu.
Niniejszy artykuł prezentuje kilka podstawowych zagadnień dotyczących efektu zbliżeniowego, wprowadzając do bardziej zaawansowanego spojrzenie na to zjawisko.
Efekt zbliżeniowy jest zjawiskiem dobrze znanym dla większości inżynierów dźwięku. Głos piosenkarza zyskuje więcej basu, gdy mikrofon przybliżany jest do ust. W miarę oddalania mikrofonu od źródła, dźwięk staje się „chudszy”. Efekt zbliżeniowy dotyczy tylko charakterystyk mikrofonów gradientowych – szeroka kardioida, otwarta kardioida, kardioida, superkardioida, hiperkardioida, ósemka – oraz wszystkich pomiędzy. Tak więc im bardziej charakterystyka kierunkowa zbliża się do „ósemki”, tym większy jest efekt zbliżeniowy. Ponadto efekt zbliżeniowy jest najsilniejszy w osi mikrofonu. Jeśli zmienimy kierunek/obrócimy mikrofon, efekt zbliżeniowy zostanie osłabiony.
Rysunek 1. Wykresy przedstawiają efekt zbliżeniowy dwóch mikrofonów gradientowych, o charakterystykach: „ósemki” i kardioidy. Porównajmy poziom basu obu mikrofonów przy częstotliwości: 100 Hz. Efekt zbliżeniowy jest znacznie większy w przypadku mikrofonu „ósemkowego” (dwukierunkowego), niż w przypadku mikrofonu kardioidalnego.
Należy zaznaczyć, że efekt zbliżeniowy niekiedy z założenia zapewnia płaską charakterystykę, gdy mikrofon znajduje się blisko źródła (np. mikrofony wokalne) lub zapewnia płaską charakterystykę, gdy mikrofon umieszczony jest w odległości większej niż 1 metr od źródła dźwięku (nagranie z dużej odległości, itp.). Z tego powodu, przy ocenie mikrofonów gradientowych (na przykład w arkuszu danych technicznych), powinna być podana informacja o odległości przy której charakterystyka częstotliwościowa jest neutralna/płaska.
Należy pamiętać, że mikrofony ciśnieniowe (mikrofony dookólne) nie wykazują efektu zbliżeniowego. Dzieje się tak dlatego, że dźwięk ma dostęp jedynie do przodu membrany. Mikrofon ciśnieniowy to w zasadzie membrana umieszczona przed zamkniętą komorą.
Źródła dźwięku.
Efekt zbliżeniowy zależny jest od źródła dźwięku. Źródło punktowe generuje sferyczne pole dźwiękowe, w którym SPL spada o 6 dB na podwojenie odległości.
Mikrofon gradientowy znajdujący się blisko źródła punktowego (poniżej 1 m), wykazuje efekt zbliżeniowy. Jeżeli jednak źródłem dźwięku jest (nieskończone) źródło płaskie lub źródło punktowe znajdujące się w pewnej odległości (większej od 1 m), efekt zbliżeniowy praktycznie nie występuje.
Rysunek 2. Źródło punktowe to zasadniczo bezwymiarowa, pulsująca kula, wytwarzająca pewną ilość energii dźwiękowej, która jest emitowana równomiernie we wszystkich kierunkach od źródła. Im większa jest odległość od źródła, tym bardziej dźwięk jest osłabiony, ponieważ jego energia jest rozprowadzana na większym obszarze. Mikrofon rejestruje -6 dB na podwojenie odległości.
SPL ze źródeł punktowych spada o 6 dB na podwojenie odległości.
SPL ze źródeł liniowych spada o 3 dB na podwojenie odległości.
SPL ze źródeł płaskich spada o 0 dB na podwojenie odległości.
Można by myśleć, że świat, mający źródła emisji dźwięku, którego poziom nigdy nie spada powinien być niezwykle hałaśliwy. Dotyczy to jednak przypadku, gdy źródła płaskie mają nieskończone rozmiary, a w realnym świecie tak nie jest. Każde źródło płaskie zachowuje się zatem jak źródło punktowe względem odległości. Poniżej przedstawiony został praktyczny przykład tego zjawiska. Źródłem dźwięku jest monitor studyjny (Genelec 8341A). Monitor wyposażony jest w głośnik o współosiowo/symetrycznie ułożonych membranach, odpowiednio dla niskich, średnich i wysokich częstotliwości.
Częstotliwości podziału pasma wynoszą: 500 Hz i 3 kHz. Sygnałem testowym odtwarzanym przez głośnik jest szum różowy. Odległości pomiarowe wynoszą odpowiednio: 64, 32, 16, 8, 4, 2 i 1 cm. Przy zmianie odległości z 64 cm na 32 cm lub z 32 cm na 16 cm, ciśnienie akustyczne wzrasta o 6 dB na wszystkich częstotliwościach. Jednak przy zmiana dystansu z 8 cm na 4 cm lub z 4 cm na 2 cm, niskie częstotliwości pozostają prawie niezmienione, podczas gdy wyższe częstotliwości nadal rosną. Przesunięcie od 2 do 1 cm (od krzywej czerwonej do niebieskiej) powoduje, że zwiększają się tylko częstotliwości powyżej 3 kHz. Pomiary przeprowadzone zostały za pomocą mikrofonu dookólnego (brak wpływu efektu zbliżeniowego).
Rysunek 3. Poziom dźwięku w funkcji odległości od monitora studyjnego (współosiowy układ przetworników). Sygnał: Różowy szum. Pomiary są wykonywane odpowiednio przy: 64, 32, 16, 8, 4, 2 i 1 cm. Wykres po prawej stronie przedstawia poziom w funkcji odległości dla trzech pojedynczych częstotliwości (100 Hz, 1 kHz i 10 kHz) oraz pasma częstotliwości (20 Hz – 20 kHz).
Dlaczego efekt zbliżeniowy?
Efekt zbliżeniowy występuje tylko w przypadku mikrofonów gradientowych. Wyjaśnienie jest takie, że dźwięk pada na membranę z obu stron – zarówno z przodu, jak i z tyłu. (Z tyłu membrany znajduje się wlot). Różnica ciśnień między przodem i tyłem (gradient) powoduje ruch membrany. Odległość od przodu do tyłu mieści się w przedziale 1-2 cm. W przypadku niskiej częstotliwości (charakteryzującej się falą długości kilku metrów) różnica ciśnień na długości 1–2 cm jest niewielka. Przy wyższych częstotliwościach różnica ta wzrasta (patrz Technologia mikrofonowa – najważniejsze informacje, rys. 4 i 5).
Oprócz głównego gradientu występuje jeszcze jedna, dodatkowa różnica ciśnień, przy zbliżaniu się do mikrofonu (≤1 m). Jest to związane z odległością. Jeśli źródło dźwięku znajduje się 2 cm od przedniej strony membrany, wówczas odległość do tyłu jest większa (w tym przykładzie – powiedzmy 4 cm). Odległość do tylnej strony jest teraz dwukrotnie większa niż odległość do przedniej strony. Jeżeli źródłem dźwięku jest źródło punktowe, ciśnienie akustyczne jest tłumione o 6 dB pomiędzy przodem i tyłem membrany. Należy to traktować jako dodatkowy gradient. Jednak działa to tylko przy niskich częstotliwościach, ponieważ gradient pierwotny jest słaby w tym zakresie.
Podsumowując, mamy do czynienia z podbiciem basu, gdy mikrofon znajduje się blisko źródła punktowego.
W osi vs. poza osią.
W przypadku fali dźwiękowej, odległość między przodem i tyłem membrany zależy również od kąta ustawienia mikrofonu. Kiedy mikrofon skierowany jest bezpośrednio w stronę źródła dźwięku, odległość jest maksymalna. Gdy nie jest on ustawiony w osi, różnica odległości jest zredukowana i efekt zbliżeniowy jest mniejszy. Jeżeli fala dźwiękowa ma tę samą odległość do przodu i do tyłu, to efekt zbliżeniowy nie występuje. W przypadku mikrofonu kardioidalnego dzieje się tak, gdy kąt wynosi dokładnie: 90 stopni. Jeśli mikrofon jest przemieszczany dalej w stosunku do kąta neutralnego, efekt zbliżeniowy pojawi się ponownie. Tak więc, jeśli mikrofon jest całkowicie poza osią (około 180 stopni), efekt zbliżeniowy ponownie będzie obecny.
Kiedy występuje efekt zbliżeniowy?
Zasadniczo efekt zbliżeniowy występuje, gdy dźwięk pochodzi ze źródła punktowego lub liniowego, mikrofon jest typu gradientowego i jest skierowany w stronę źródła dźwięku. Efekt zbliżeniowy nie występuje, gdy źródło dźwięku jest źródłem płaskim, mikrofon jest typu ciśnieniowego lub mikrofon jest skierowany w bok. Jednakże pomiędzy tymi specyficznymi warunkami istnieją różnice. W przypadku instrumentów muzycznych przewidzenie lub zdefiniowanie równoważnego źródła dźwięku może być trudne.
Poniżej znajduje się kilka przykładów.
Trąbka.
Zdarza się, że efekt zbliżeniowy nie występuje ze względu na charakterystykę częstotliwościową (pasmo przenoszenia) instrumentu. Na przykład trąbkę definiuje się zasadniczo jako źródło punktowe. Jednak jej spektrum nie obejmuje zakresu basów. Dlatego efekt zbliżeniowy nie stanowi wyzwania podczas nagrywania tego instrumentu.
Rysunek 4. Nagranie trąbki w bliskim polu. Krzywe wykresu prezentują różnicę pomiędzy mikrofonem kardioidalnym (4011 Cardioid Mic), a mikrofonem dookólnym w różnych odległościach (pomiary są odejmowane od siebie). Zakres częstotliwości instrumentu powoduje jedynie ograniczony stopień efektu zbliżeniowego w rzeczywistym zakresie częstotliwości. Różnica poziomów zależna od odległości jest usunięta (w celu łatwiejszego porównania krzywych).
Fortepian.
Fortepian (przestrzeń tuż nad strunami) jest uważany za źródło płaskie, mimo że poszczególne struny mogą być postrzegane jako coś innego. Poziomy są stosunkowo stałe przy: 2, 4, 8 i 16 cm. Nie ma efektu bliskości (nic nie uwydatnia niskich częstotliwości).
Rysunek 5. Nagranie fortepianu w bliskim polu. Krzywe wykresu prezentują różnicę pomiędzy mikrofonem kardioidalnym (4011), a mikrofonem dookólnym w różnych odległościach. Zakres częstotliwości instrumentu nie powoduje efektu zbliżeniowego. Różnica poziomów zależna od odległości jest usunięta (w celu łatwiejszego porównania krzywych).
Gitara akustyczna.
Gitara akustyczna (mikrofony umieszczone centralnie z przodu górnej drewnianej płyty rezonansowej, poniżej mostka) jest źródłem płaskim przy małych odległościach. Jednak spektrum w tej pozycji nie jest zbyt atrakcyjne, dlatego zazwyczaj preferowane są inne pozycje mikrofonu, głównie dlatego, że dźwięk z otworu w korpusie jest tutaj mocny.
Rysunek 6. Nagranie gitary akustycznej w bliskim polu (przed górną drewnianą płytą rezonansową, tuż pod mostkiem). Krzywe wykresu pokazują różnicę pomiędzy mikrofonem kardioidalnym (4011), a mikrofonem dookólnym przy różnych odległościach. Różnica poziomów zależna od odległości jest usunięta (w celu łatwiejszego porównania krzywych).
Bęben basowy.
Ze względu na znaczną średnicę naciągu bębna basowego, można się spodziewać, że jego membrana będzie działać jak źródło płaskie. Jednak jej zachowanie bliższe jest źródłu punktowemu. Naciąg bębna basowego nie jest źródłem czysto płaskim w żadnej odległości – istnieje więc efekt zbliżeniowy. Dlatego przy wyborze mikrofonu należy zachować pewną ostrożność. Mikrofon nie powinien być zbytnio zależny od składowej gradientu.
Rysunek 7. Nagranie bębna basowego w bliskim polu. Krzywe wykresu pokazują różnicę pomiędzy mikrofonem kardioidalnym (4011), a mikrofonem dookólnym przy różnych odległościach. Krzywe pokazują, że naciąg rezonansowy zachowuje się bardziej jak źródło punktowe niż źródło płaskie. Różnica poziomów zależna od odległości jest usunięta (w celu łatwiejszego porównania krzywych).
Nowo opracowany mikrofon perkusyjny: DPA 4055 to mikrofon gradientowy o charakterystyce „otwartej kardioidalnej”. Mieści się pomiędzy „szeroką kardioidą” i „kardioidą”. Oznacza to, że wykazywany efekt zbliżeniowy jest znacznie mniejszy, niż w przypadku mikrofonu kardioidalnego. Niezależnie od tego mikrofon charakteryzuje się przetwarzaniem pełnego zakresu niskich częstotliwości, nawet z pewnej odległości. Daje to inżynierowi swobodę umieszczenia mikrofonu w dogodnej odległości – bez ryzyka, że będzie on uderzany przez wibrującą membranę.
Typowy wykres biegunowy 4055.
Ponadto, został on zaprojektowany w sposób umożliwiający mu radzenie sobie ze skrajnymi poziomami dźwięku wokół oraz wewnątrz bębna. Mikrofon ten nie musi być koniecznie skierowany bezpośrednio w stronę naciągu rezonującego, otworu w naciągu rezonującym lub w pobliżu naciągu, w okolicy młotka. Zapewnia doskonałe możliwości eksperymentowania z umiejscowieniem na zewnątrz i wewnątrz bębna, pozwalając uzyskać dźwięk z odpowiednią siłą uderzenia, w zależności od potrzeb sytuacji.
POPRAWKA – Jak to zmierzono?
Każdy instrument muzyczny był nagrywany jednocześnie za pomocą kilku mikrofonów. Następnie sygnały analizowano za pomocą Smaart Live, widmo, zakres 1/3 oktawy, czas uśredniania > 1 minuty.
Dane (widma) przenoszono do arkusza kalkulacyjnego dla każdej z rejestrowanych odległości (64, 32, 16, 8, 4, 2 i 1 cm w zakresie, w jakim te dane były dostępne). Następnie dla każdej odległości dane z nagrań mikrofonu dookólnego zostały odjęte od danych z mikrofonu kardioidalnego. Uzyskana krzywa pokazuje zatem różnicę między dwoma mikrofonami. Gdyby nie było różnicy, wykres byłby prostą linią poziomą. (Jednak różnica w czułości została skompensowana). Jeśli zachodzi efekt zbliżeniowy, następuje wzrost niskich częstotliwości.
Artykuł źródłowy: Proximity effect in microphones explained