Mikrofon

Mikrofon, auch Mikrophon, von altgriechisch mikros für »klein« und phonein für »klingen«, englisch: microphone, abgekürzt mic, auch in den Abkürzungen Mike oder Micro, Schallwandler, der dazu dient, Schalldruck unterschiedlicher Amplitude im Frequenzbereich zwischen 20 und 20 000 Hz in eine analog wechselnde elektrische Spannung umzuwandeln.

Es gibt mehrere Möglichkeiten, Schall in eine sehr kleine Spannung zu wandeln. Gemeinsam ist alle diesen technischen Lösungen, dass der Schall auf eine Membranfläche trifft, die mit dem eigentlichen Wandlerelementen entweder verbunden oder aber Teil dessen ist. Dieses Wandlerelement besteht beim Kohlemikrophon aus Kohlekörnern, beim Kristallmikrophon aus einem Kristall und beim dynamischen Mikrophon aus einer Spule, die sich in einem Magnetfeld bewegt. Beim Kondensatormikrophon ist die Membran selbst Teil des Wandlers, der als Ganzes einen Kondensator darstellt. Bei der Aufnahme von Musik kommen vor allem dynamische Mikrophone und Kondensatormikrophone zum Einsatz, jeweils in dem speziellen Verwendungszweck – Abnahme von Gesang, Abnahme von unterschiedlichen Instrumenten, Studio, Konzert – technisch angepasster Form. Kohle- und Kristallmikrofone werden in der Musikproduktion nicht verwendet, da sie den Anforderungen hinsichtlich Frequenzumfang und Empfindlichkeit nicht genügen.
Bei dynamischen Mikrofonen werden verschiedene Bauformen unterschieden, einerseits das Tauchspulenmikrophon, andererseits das Bändchenmikrofon; letzteres wird in weiter geringerem Maße als das Tauchspulenmikrofon verwendet und dann meist bei Studioaufnahmen. Beim Tauchspulenmikrofon ist die Membran fest mit einer Spule verbunden, die ihrerseits sich im Feld eines Dauermagneten bewegt, sie »taucht« in das Feld ein; man kann sich die Konstruktion als stark verkleinerten dynamischen Lautsprecher vorstellen. Trifft de Schall – der ja im Grunde nichts weiter als in seiner Stärke schwankender Luftdruck ist – auf die Membranfläche, so bewegt sich die Membran analog des Luftdrucks im Magnetfeld und erzeugt dadurch eine entsprechend schwankende Wechselspannung, deren Frequenz der Frequenz der Luftdruckschwankungen entspricht. Da diese Spannung sehr klein ist, muss sie durch geeignete Vorverstärkung auf ein Niveau gehoben werden, dass sie mittels eines weiteren Verstärkers und angeschlossener Lautsprecher hörbar gemacht oder aber auf Speichermedien wie Tonband oder Festplatte festgehalten werden kann. Ähnlich funktioniert das Bändchenmikrofon: Hier ist es eine Metallfolie in Gestalt eines Bändchens, das sich im Feld eines Dauermagneten bewegen kann. Das Bändchen stellt gleichzeitig Membran und Spule dar, induziert also bei Auftreffen von Schall in dem Magnetfeld eine geringe Spannung; die weitere Verarbeitung der Spannung gleicht der beim Tauchspulenmikrophon.
Das Kondensatormikrophon hat eine so genannte Kapsel, die im Prinzip ein Plattenkondensator ist. Zwei dünne Metallfolien – als Membranfolie wird meist eine sehr dünne Goldfolie benutzt – stellen die Elektroden des Kondensators dar; zwischen den beiden kreisförmig geschnittenen Folien befindet sich als Dielektrikum Luft. An die Elektroden wird als so genannte »Phantom-Speisung« eine feste Gleichspannung angelegt, im Studiobereich in der Regel eine Spannung von 48 Volt, in bestimmten Fällen bei einigen Mikrofonen auch 12 Volt. Die Folien bilden gleichzeitig die Membrane des Mikrofons: Wenn Schall auf eine der Membranen trifft, bewegen diese sich und verändern damit ihre elektrischen Eigenschaften als Kondensator, die Gleichspannung schwankt entsprechen von Frequenz und Druck des Schalls und wird – nunmehr als Wechselspannung – weiter verstärkt. Bei Kondensatormikrofonen werden so genannte Großmembran-Mikrofone, Kleinmembran-Mikrofone und Elektret-Mikrofone unterschieden. Als Großmembran-Mikrofone werden die Kondensatormikrofone bezeichnet, deren Membran einen Durchmesser von einem Zoll, als etwa 2,5 Zentimeter hat; bei Kleinmembran-Mikrofonen liegt der Durchmesser darunter. Elektretmikrofone sind ebenfalls prinzipiell Kondensatormikrofone, doch muss ihnen keine Gleichspannung von außen zugeführt werden; die Vorspannung liefert hier eine im Mikrofon eingesetzte Batterie mit einer Spannung von 1,5 Volt.
Mikrofone werden für verschiedene Einsatzzwecke technisch ausgelegt. Dies bedeutet, dass Mikrofone so gebaut werden, dass sie Schall entweder aus beliebigen Richtungen gleichermaßen aufnehmen können oder aber explizit auf eine Schallquelle ausgerichtet werden müssen. Diese Richtcharakteristik genannte Eigenschaft von Mikrofonen wird – dabei wird das Mikrofon quasi »von oben« betrachtet – entsprechend ihres Bereiches benannt: Kugel, Niere, Superniere, Acht, Cardioide. Der Aufnahmebereich eines Mikrofons mit Nierencharakteristik etwa ähnelt dem Aussehen einer Niere. Die Membran eines Nierenmikrofons – es handelt sich dabei um ein so genanntes »gerichtetes« Mikrofon – muss auf die Schallquelle ausgerichtet sein, da es »hinter sich« nichts oder nur wenig wahrnimmt. Ein Mikrofon mit einer Kugelcharakteristik – ein »ungerichtetes« Mikrofon – dagegen nimmt Schall aus jeder Richtung gleichermaßen auf, während eines mit einer Achtercharakteristik (gerichtetes Mikrofon) nur Schallquellen aufnimmt, die sich vor oder hinter ihm befinden, nicht aber Schallquellen, die seitlich positioniert sind. Mikrofone mit Supernieren- oder Cardioidcharakteristik stellen Sonderfälle von Nierenmikrofonen dar, bei denen der Aufnahmewinkel gegenüber dem von Nierenmikrofonen stärker eingeengt ist. Richtmikrofone schließlich sind Nierenmikrofone, deren Aufnahmewinkel sehr klein ist und die daher exakt auf die Schallquelle ausgerichtet sein müssen. Mitunter können vor allem Kondensatormikrofone in ihrer Charakteristik umgeschaltet werden, etwa von Kugel auf Acht und Niere. Dazu müssen die beiden Elektroden des Kondensators gleichermaßen als Membranen fungieren können, also technisch gleich ausgeführt sein.
Die Domäne der Kondensatormikrofone mit großer Membran ist das Studio, während im Konzert beinahe ausschließlich dynamische Mikrofone verwendet werden. So halten selbst kleine Studios eine Vielzahl verschiedener Mikrofone vorrätig, denn neben persönlichen Vorlieben zählt vor allem der Zweck, den ein Mikrofon erfüllen soll: Für die Aufnahme von Gesang werden andere Mikrofone als für die Abnahme von Blasinstrumenten verwendet, für das Schlagzeug andere als für ein Leslie-Kabinett. Die Auswahl und die Aufstellung von Mikrofonen – Miking genannt – ist eine Wissenschaft für sich, die genaue Kenntnis der jeweils vorhandenen Mikrofone und ein gehöriges Maß an Erfahrung voraussetzt. Dennoch hat beinahe jeder Tonmeister oder Toningenieur seine »Spezialität« in der Aufstellung von Mikrofonen. Manche Anordnungen von Mikrofonen wurden, einmal erprobt und für gut befunden, zu einer Art Standard wie beispielsweise der so genannte Decca Tree. Andererseits ist es möglich, mit einer geschickten Auswahl auch mit wenigen, unter Umständen mit nur zwei Mikrofonen, überzeugende Stereoaufnahmen anfertigen zu können.
Neben der grundsätzlichen Auswahl – ob etwa ein Kondensatormikrofon oder ein dynamisches Mirkofon zum gewünschten Ergebnis führt – werden mitunter auch bestimmte Bauformen gewählt. So gibt es für die Abnahme von Drum Sets besondere Mikrofone, die beispielsweise auf die Spannreifen der Trommeln; andere, im Konzertbetrieb eingesetzte Mikrofone müssen sehr robust sein, also über einen stabilen Metallkorb und Metallgehäuse verfügen. Eine besondere Bauform stellen auch die Funkmikrofone dar, die Solo-Sängern völlige Bewegungsfreiheit ermöglichen. Besondere Bauformen sind auch die Grenzflächen-Mikrofone – sie werden auf eine Wandfläche des jeweiligen Raumes gesetzt -, sowie für Stereoaufnahmen der Jecklin-Aufbau und der Kunstkopf; für beide Typen werden nur zwei Mikrofone verwendet. Der Jecklin-Aufbau ähnelt dem Grenzflächenmikrofon, werden doch die beiden Mikrofone dicht nebeneinander befestigt, getrennt durch eine mit einem schallabsorbierenden Material versehene Scheibe. Der Kunstkopf besteht aus einem dem menschlichen Kopf nachgebildeten Träger, in dem etwa n der Stelle der Trommelfelle je ein Mikrofon sitzt. Der Kunstkopf wurde in den 1970er-Jahren vereinzelt auch für die Aufnahme von Rockmusik verwendet; da ein nachträgliche Bearbeitung der Aufnahme aber nahezu unmöglich ist, widerspricht sein Einsatz eigentlich den Maßgaben der Produktion von Rock- und Popmusik.
Grundsätzlich kann die Übertragung der vom Mikrofon gelieferten Tonspannung symmetrisch oder asymmetrisch erfolgen. Asymmetrisch bedeutet, dass ein einadriges Kabel verwendet wird. Die mit einem Metallgeflecht ummantelte und mit einer Isolierung aus Kunststoff versehene Ader überträgt die Tonspannung, während die Abschirmung mit dem Mirkofongehäuse und der Erde verbunden. Auf diese Weise werden Störspannungen unschädlich gemacht und gelangen nicht in den Verstärkungsweg. Die Länge der Kabel darf bei asymmetrischem Anschluss nur wenige Meter betragen. Da sowohl bei Schallplattenaufnahmen – etwa in einem Saal oder einer Kirche – wie auch im Konzert oft sehr lange Mikrofonleitungen erforderlich sind, wird in diesem Bereich die so genannte symmetrische Übertragung verwendet. Bei dieser Art der Übertragung sind Signalleitungen und Abschirmung strikt getrennt: Zur Mikrofonkapsel führen also zwei tonspannungsführende Leitungen, die Abschirmung erfolgt wiederum über ein die beiden Adern umgebendes Metallgeflecht. Die beiden Tonadern führen das Signal, wobei eines der Signale gegenüber dem anderen gegenphasig, also um 180 Grad gedreht ist. Auf diese Weise wird die Abschirmung nicht als Gegenpotential benötigt, die Übertragung ist »erdfrei«. Am Vorverstärker wird aus dem symmetrischen Signal durch eine weitere Phasendrehung wieder ein asymmetrisches Signal. Sollte auf dem Weg eine Störspannung den Weg in die Übertragung finde, so wird es in beiden Tonadern gleichphasig transportiert, am Verstärkereingang aber durch die »Asymmetrierung« aufgrund von Interferenz dann eliminiert. Mikrofonkabel haben daher stets dreipolige Stecker, von denen bei der symmetrischen Übertragung alle drei, bei der asymmetrischen nur zwei benutzt werden. Um ein Mikrofon »symmetrisch« zu machen, wird entweder ein sehr kleiner Übertrager – technisch ein Transformator für einen großen Bereich von niedrigen Frequenzen – oder aber ein in das Mirkofon eingebauter Verstärker benötigt. Diese Verstärker werden meist mit Halbleitern, in jüngerer Zeit aber auch wieder mit Röhren aufgebaut.
Fester Bestandteil bei der Nutzung von Mikrofonen ist der Mikrofon-Vorverstärker. Da jedes Mikrofon einen Vorverstärker benötigt, sind diese meist als Eingangsstufe in das Mischpult eingebaut. Diese Vorverstärker müssen besonderen Anforderungen genügen, insbesondere sehr rauscharm sein. Das von den Vorverstärkern erzeugte Rauschen sollte unter dem Eigenrauschen des Mikrofons liegen. Daher werden in Vorverstärker nur rauschwarme Bauteile, insbesondere Feldeffekttransistoren eingebaut. Auch gibt es bestimmte Schaltungstechniken, die ihren Ursprung in der Hochfrequenztechnik haben, die den Bau rauscharmer Verstärker ermöglichen. Es gibt allerdings nicht wenige Musiker und Toningenieure, die in bestimmten Fällen Verstärker einsetzen, die mit Röhren aufgebaut sind.
Die Frühgeschichte des Mikrofons ist eng mit der des Telefons verbunden. So hatte der in den USA lebende italienische Mechaniker und Unternehmer Antonio Meucci (* 1808, † 1889) bereits Mitte der 1860er-Jahre ein elektromagnetisches Mikrofon erfunden; sein zeitweiliger Mitarbeiter Graham Bell erhielt 1876 unberechtigt ein Patent auf diesen Schallwandler. Der deutsche Physiker Philip Reis (* 1834, † 1874) erfand bei der Arbeit an dem von ihm ersonnenen Telephon das Kontakmikrofon, bei dem eine Gleichspannung durch die durch den auftreffenden Schall in Bewegung versetzte Membran moduliert wird und als Tonspannung genutzt werden kann. Da die Übertragungsqualität dieses Mikrofons sehr schlecht war, setzten diverse Erfinder ihren Ehrgeiz darein, ein besseres Mikrofon zu entwickeln, das schließlich mit dem Kohlemikrofon etwa gleichzeitig von Emile Berliner und David Edward Hughes gefunden wurde. Der deutsche Unternehmer und Erfinder Georg Neumann konnte das Kohlemikrofon zwar Anfang der 1920er-Jahre entscheidend verbessern, seine größte erfinderische Leistung aber war das in der ersten Hälfte der 1920-Jahre vorgestellte Kondensatormikrofon, das seitdem in fortentwickelter Form nach wie vor gebräuchlich ist. Das von der Firma hergestellte Mirkofon CMV 3 ging als »CVM3« in die Geschichte der Rundfunktechnik und Tonaufnahme ein.
Neumann gründete 1928 in Berlin die Georg Neumann & Co KG; das Unternehmen gilt nach wie vor als führender Hersteller von qualitativ hochwertigen Mikrofonen. Auch das 1962 von Gerhard M. Sessler (* 1931) und James Edward West (* 1931) entwickelte Elektretmikrofon ist prinzipiell ein Kondensatormikrofon.
Es gibt eine große Anzahl von Mikrofonherstellern. Dazu gehören neben der Georg Neumann GmbH etwa Shure, Electrovoice, AKG, Beyer, Sennheiser, Brauner, Rode, Audio-Technica und weitere mehr. In jüngerer Zeit haben auch in China hergestellte Mikrofone einen gewissen Marktanteil erreichen können. Einige Mikrofone haben eine geradezu legendären Ruf: Stellvertretende für alle sei das U 47 genannt, das die Firma Georg Neumann 1949 vorstellt. Es ist das erste Mikrofon, dessen Richtcharakteristik elektrisch umschaltbar ist.

Literatur

Görne, Thomas: Mikrofone in Theorie und Praxis; Aachen 1994
Boré, Gerhard: Mikrophone – Arbeitsweise und Ausführungsbeispiele, Berlin 1973
Dickreiter, Michael: Mikrofon-Aufnahmentechnik; Stuttgart 1984