Rysunek 1. A: membrana wibruje z powodu dźwięku akustycznego. B: obudowa wibruje z powodu przeniesionych wibracji mechanicznych: Oba przypadki generują sygnał wyjściowy.

Problem wibracji dotyczy głównie mikrofonów zamontowanych na statywie lub w uchwycie/zacisku, na przykład na instrumencie muzycznym. W przypadku mikrofonów trzymanych w ręku, nieodpowiednie pocieranie obudowy ręką lub klikanie pierścieniem palca może powodować niechciane dźwięki. (Zobacz: Jak unikać szumów manipulacyjnych – How to avoid handling noise). Ponadto, umieszczanie mikrofonu trzymanego w ręku w jego uchwycie/zacisku może generować impuls, gdy zaskakuje. W przeciwnym razie, ramię i dłoń są dobrymi filtrami do redukcji zewnętrznych wibracji.

Rysunek 2. Zasada działania mikrofonu pojemnościowego opiera się na masie (membrana), sprężynie (napięcie membrany) i tłumieniu systemu (elastyczne zawieszenie membrany). Ponadto cała kapsuła może być zawieszona, aby osiągnąć pewną formę izolacji od obudowy.

Wibracje – gdzie i jak bardzo

Wibracje są wszechobecne. Jednak istnieją miejsca, gdzie poziom wibracji jest silniejszy niż w innych.

Podłoga sceny

Dobra podłoga sceny jest solidna i nie wytwarza dużo wibracji. Jednak niektóre sceny – podłogi lub podesty – przeznaczone do użytku z klasycznymi instrumentami smyczkowymi, takimi jak wiolonczela i kontrabas, muszą zapewniać dobre wsparcie dla tych instrumentów. Mogą one nieznacznie wibrować w zależności od pobudzenia (kroki na scenie, subwoofery, połączenie z PA itp.). Zła podłoga sceny lub podest dla perkusji może łatwo wibrować na niskich częstotliwościach. Wiele podłóg lub podium wykazuje poziom wibracji 1 G, jeśli poniżej znajdują się subwoofery lub na górze jest zestaw perkusyjny. (G jest jednostką przyspieszenia. 1 G ≈ 10 m/s²). Statyw mikrofonowy może być lub nie być izolowany od podłogi. Jednak uderzenie w statyw mikrofonowy instrumentem lub tupnięcie nogą po podłodze nadal generuje poziomy wibracji powyżej 1G.

Perkusja

Podczas uderzenia w bęben, cały korpus wibruje. Na przykład, uderzając w obręcz werbla lub tom-a pałeczką, poziom wibracji może przekroczyć 20G(!) na tych bębnach, które często używają mikrofonów przypinanych. Mocne uderzanie w inne bębny, szczególnie w bęben basowy, może wytworzyć podobne poziomy!

Instrumenty smyczkowe

Te instrumenty posiadają korpus wspierający wibrujące struny. Większość instrumentów smyczkowych, szczególnie kontrabas i wiolonczela, posiada także tzw. wilcze tony. Tutaj rezonans staje się tak silny, że przeciwdziała granej nucie. Ten rezonans, jak również inne, może wpływać na mikrofon zamontowany na instrumencie. Zamocowanie tego mikrofonu może decydować o tym, jak dobrze rejestruje dźwięk.

Instrumenty dęte

Część wylotowa lub dzwon instrumentu w pewnym stopniu wibruje, choć niekoniecznie ekstremalnie. Jednak rezonans może stać się problemem przy małym, nie tłumionym przypinanym mikrofonie.

Jak mikrofony reagują na wibracje

Warto wiedzieć, jak wrażliwy jest mikrofon na te wibracje. Aby się tego dowiedzieć, zebraliśmy kilka mikrofonów i przeprowadziliśmy eksperymenty:

Każdy mikrofon został zamontowany na wytrząsarce (patrz rysunek 3) i przymocowany do wytrząsarki za pomocą dostarczonego klipsa lub uchwytu.

Sygnał szerokopasmowy (szum różowy) był podawany do wzmacniacza napędzającego wytrząsarkę. (dźwięk akustyczny nie był obecny). Wyjście mikrofonu i wymuszone przyspieszenie (wychwycone przez akcelerometr) zostały zarejestrowane, dostarczając danych dla funkcji transferu i czułości mikrofonu na wibracje.

Rysunek 3. Układ do testowania wyjścia generowanego przez wibracje z mikrofonów.

Czułość zależna od kierunkowości

Z natury większość mikrofonów jest wrażliwa na wibracje w kierunku prostopadłym do membrany, co w przypadku mikrofonów ołówkowych jest kierunkiem osiowym. Dlatego w tym teście zastosowaliśmy wzbudzenie osiowe, uzupełnione o kąty pobudzenia 45° i 90° (poprzez obrócenie uchwytu, patrz rysunek 4).

Rysunek 4. Trzy kierunki wzbudzenia: 0° (osiowe), 45° i 90°.

Równoważny SPL na G

Podczas pomiaru sygnału wyjściowego mikrofonu wibracyjnego, można opisać równoważny SPL, który wytworzyłby z mikrofonu taki sam sygnał, jak robią to teraz wibracje. Poziom ten mieści się zazwyczaj w zakresie 75-125 dB SPL/G. Oznacza to: Wibracja mikrofonu z siłą 1 G daje sygnał o tej samej wielkości, co źródło dźwięku o SPL 75-125 dB SPL. W rzeczywistości, gdy są wstrząsane, niektóre mikrofony mogą produkować nawet wyższe sygnał niż ten.

Mierzone mikrofony obejmowały zarówno typy pojemnościowe, jak i dynamiczne. Poniższe przykładowe diagramy pokazują funkcję przenoszenia w trzech różnych kierunkach. Tak więc, każdy diagram zawiera trzy krzywe dla każdego mikrofonu: Czarna: pobudzenie osiowe 0°, niebieska: pobudzenie 45° i czerwona: pobudzenie 90°. We wszystkich przypadkach kąt 0° jest prostopadły do membrany.

Wszystkie ustawienia pomiarowe wykorzystują uchwyt lub klips dołączony do konkretnego mikrofonu.

Mikrofony do bębna basowego

Rysunek 5. Funkcja przenoszenia dla dwóch mikrofonów do bębna basowego. Równoważny SPL/G mierzony jest przez pobudzenie mikrofonu na pojedynczej częstotliwości (i kierunku), gdzie występuje najwyższy sygnał wyjściowy.

Rysunek 6. Funkcja przenoszenia dla dwóch mikrofonów wokalnych. Równoważny SPL/G mierzony jest przez pobudzenie mikrofonu na pojedynczej częstotliwości (i kierunku), gdzie występuje najwyższy sygnał wyjściowy.

Rysunek 7. Równoważny SPL/G dla sześciu popularnych mikrofonów do bębna basowego, wśród których jest DPA 4055. Także sześć popularnych mikrofonów wokalnych (zarówno pojemnościowych, jak i dynamicznych), z których dwa to pojemnościowe DPA: 2028 i d:facto™. Równoważny SPL/G mierzony jest przez pobudzenie mikrofonu na pojedynczej częstotliwości (i kierunku), gdzie występuje najwyższy sygnał wyjściowy. Im niższy równoważny SPL/G, tym lepiej. Należy zauważyć, że w zestawie perkusyjnym poziom wibracji może przekroczyć 1G o więcej niż 20 dB.

Izolacja od wibracji

Jeśli chcesz pozbyć się wibracji mikrofonu, użyj wysokiej jakości uchwytu antywstrząsowego. Uchwytu antywstrząsowe są dostępne dla większości mikrofonów ołówkowych, ale niekoniecznie dla mikrofonów o stożkowych obudowach, takich jak mikrofony ręczne. Sprawia to, że mikrofony wokalne na statywach są wrażliwe na wibracje podłogi sceny. Jednak gdy są umieszczone na statywie, kąt montażu zazwyczaj nie wynosi 0°, ale raczej 90°, i mikrofony są ogólnie mniej wrażliwe w tym kierunku. Ponadto, dzięki konstrukcji, wiele mikrofonów ręcznych tłumi efekt wibracji.

Najwięcej problemów występuje podczas montowania mikrofonów na zestawie perkusyjnym. Po pierwsze, istnieje wiele kierunków pobudzenia, nie tylko jeden. Więcej kierunków wchodzi w grę, w zależności od części zestawu, która jest uderzana. Sprawia to, że uchwyty antywibracyjne są mniej więcej obowiązkowe dla bębna basowego. Jednak wiele narzędzi montażowych nie zapewnia wystarczającego tłumienia. Dlatego interesujące jest, jak mikrofony zachowują się w tych warunkach.

Poniższy wykres pokazuje efekt użycia uchwytów amortyzujących. Pokazuje to mikrofon typu Shotgun 4017 zamontowany w klipsie, w standardowym uchwycie antywstrząsowym i w dedykowanym uchwycie antywstrząsowym przeznaczonym dla shotgun-ów. Wzmacniacz B z mikrofonem Shotgun 4017 zawiera filtr dolnoprzepustowy, który jest wyłączony/włączony z każdym uchwytem.

Wibracje są generowane przez kopnięcie jednej z nóg na trójnogim statywie. Można posłuchać nagrania tutaj. (Zobacz: 10 important facts about acoustics for microphone users).

Rysunek 8: Sygnał generowany przez wibracje po kopnięciu statywu mikrofonowego:

A: Mikrofon w standardowym uchwycie (UA0639). Bez zastosowania filtra dolnoprzepustowego.

B: W standardowym uchwycie. Z zastosowaniem filtra dolnoprzepustowego.

C: W uchwycie antywibracyjnym (UA0897). Bez zastosowania filtra dolnoprzepustowego.

D: W uchwycie antywibracyjnym (UA0897). Z zastosowaniem filtra dolnoprzepustowego.

E: W dedykowanym uchwycie antywibracyjnym. Bez zastosowania filtra dolnoprzepustowego. F: W dedykowanym uchwycie antywibracyjnym. Z zastosowaniem filtra dolnoprzepustowego.

Krzywe pokazują, w jednym przypadku, że wibracje niskoczęstotliwościowe (20-30 Hz) wzrastają przy użyciu uchwytu antywibracyjnego pierwotnie zaprojektowanego dla cięższych mikrofonów. Do gry wchodzi rezonans systemu. (W tym przypadku pomaga zastosowanie filtra dolnoprzepustowego.)

Czy można to określić?

Istnieje międzynarodowa norma dotycząca określania lub dokumentowania mikrofonów – IEC 60.268-4. Większość producentów mikrofonów stosuje się do tej normy, w tym DPA Microphones. Ta norma zawiera paragraf (§19.2) na ten temat: „Równoważne ciśnienie dźwięku spowodowane wibracją mechaniczną”.

Pomiary w tym artykule były przeprowadzone zgodnie z zasadami wytycznych IEC. Należy zauważyć, że większość producentów zachowuje te dane dla siebie – o ile w ogóle są one mierzone.

Wnioski

Sygnał z mikrofonu może być generowany na co najmniej dwa sposoby*): jeden pochodzi z dźwięku akustycznego, a drugi jest produkowany przez wibracje. Te dwa różne źródła brzmią całkiem inaczej. Źródło wibracyjne jest rezonansowe i zabarwione. Relacja fazowa między dwoma sygnałami również będzie mieć ogromne znaczenie – nasz miks może ucierpieć, jeśli dźwięk generowany przez wibracje osiągnie poziom porównywalny z dźwiękiem akustycznym. (To łatwo osiągnąć w zestawie perkusyjnym). Ważne jest, aby wybierać mikrofony o niskiej wrażliwości na wibracje i/lub używać wysokiej jakości uchwytu antywibracyjnego, ilekroć jest to możliwe.

*) EMC/RFI mogą również tworzyć niezamierzone wyjścia.

Referencje

Burkhard, Mahlon D.: Protection against shock and vibration. Preprint 396, AES annual meeting 17, 1965.
G.R.A.S. application note: 147AX Microphone Vibration Sensitivity. 806-147AX Vibration Sensitivity.pdf (grasacoustics.com)
IEC 60268-4 Sound System Equipment – Part 4: Microphones.
Locke, Terry R: An Effective Mechanopneumatic Shock Mount for Dynamic Microphone. Journal of the Audio Engineering Society, September 1978, Vol 26, No 9.
Plice, Gerald W.: Microphone Accessory Shock Mount for Stand or Boom Use. Journal of the Audio Engineering Society, February 1971, Vol 19, No 2.
Sorbothane Reduces Vibration in Microphones for Hook Studios. Sorbothane® Reduces Vibration in Microphones
Rule, Eric, Suellentrop, Fred j., and Perls, Thomas A.: Vibration Sensitivity of Condenser Microphones. The Journal of the Acoustical Society of America 32, 923 (1960).
Stehle, Charles Douglas: Vibration isolation of a microphone. The Journal of the Acoustical Society of America 80, 699 (1986).
Walsh, Jonathan D.; Su, Quang T.: Characterization of the vibration response of miniature microphones by subtraction. The Journal of the Acoustical Society of America 141, 3677 (2017).
Walsh, Jonathan D.; Miles, Ronald: Microphone length and its effect on vibration interference. The Journal of the Acoustical Society of America 148, 2640 (2020).