A közeltéri hatás

A közeltéri hatás kizárólag az irányított (kardioid, hiperkardioid, szuperkardioid, puska, stb.) mikrofonokra jellemző. Ezek a mikrofonok működésüket tekintve ún. nyomásgradiens mikrofonok, azaz a membrán előtti és a membrán mögötti térrész nyomáskülönbségére reagálnak. Tehát a mikrofon úgy van kialakítva, hogy a membránjához érkező hanghullám mind elölről, mind hátulról el tud jutni a membránhoz.

Mint a képeken is látszik, a gömbkarakterisztikás mikrofon csak elölről nyitott, míg a kardioid mikrofon oldalsó nyílásai bevezetik a hangot a membrán mögötti térrészbe is.

A membrán előtti, ill. mögötti térrész pillanatnyi nyomásainak különbsége az, ami kimozdítja a membránt a középhelyzetből. A nyomáskülönbség két komponensből tevődik össze: az inverz négyzetes komponensből és a fáziskülönbségből. Bár mindkettő az úthossz különbségből származik, mégis két, jól megkülönböztethető hatásról van szó.




Fáziskülönbség

A mikrofonhoz „szemből”, azaz a mikrofon axisában érkező hang elölről közvetlenül eléri a membránt, valamint, kissé hosszabb úton, a membrán megkerülésével eléri annak hátsó részét.

^{A membránra merőlegesen érkező hanghullám elölről és hátulról is eléri a membránt}

A hosszabb út természetesen hosszabb időt is jelent, tehát esetünkben a membrán előtti, ill. mögötti térrészek között fáziskülönbség is van. A hang(nyomás)hullám különböző fázisaihoz különböző nyomás tartozik. Az így előálló nyomáskülönbséget nevezzük most nyomás gradiensnek (a későbbiekben gradiens komponensként fogunk hivatkozni rá).

A szokásos útkülönbség általában 8,5 mm. A következő ábrákon látható, hogy az úthossz különbség mekkora fáziskülönbséget eredményez mély-, közép- és magas frekvenciákon.

^{Úthossz különbség által okozott fáziskülönbség mély frekvencián}

^{Úthossz különbség által okozott fáziskülönbség közép frekvencián}

^{Úthossz különbség által okozott fáziskülönbség magas frekvencián}

Látható, hogy ugyanakkora amplitúdójú hullámok esetében ugyanakkora úthossz különbség különböző mértékű nyomáskülönbséget eredményez. A nyomáskülönbség a frekvenciával arányosan növekszik. Koordinátarendszerben ábrázolva ezt, egy 6 dB/oktáv meredekségű emelkedő egyenest kapunk.

^{Nyomáskülönbség a frekvencia függvényében}

Egy ilyen frekvenciamenetű mikrofon azonban nem igazán szólna jól. Ahhoz, hogy a mikrofon lineáris átvitellel rendelkezzen, kompenzálnunk kell egy 6dB/oktáv meredekségű ereszkedő egyenessel. Ezt elektronikával is meg lehet valósítani, de leggyakrabban a membrán csillapításával érik el. Így már előáll a hőn áhított lineáris (elvi) frekvenciamenet.

^{Nyomás gradiens és csillapítás kombinációja a frekvencia függvényében}

Inverz négyzetes törvény

Ha egy hangforrást túl hangosnak találunk, távolabb megyünk tőle. Ahogy távolodunk, a hangnyomás is csökken. Egy átlagos hangforrásból kiinduló hanghullámok gömb alakban (vagy valamilyen gömbcikk alakban) terjednek. A forrástól távolodva a gömb felülete nő. A forrás által útjára bocsátott hangenergia pedig ezen a felületen oszlik el. A gömb alakban terjedő hang energiájának távolságfüggését az inverz négyzetes törvény írja le. Ebből fakad az az egyszerű szabály is, hogy a távolság megkettőzése 6dB hangnyomáscsökkenést eredményez. Az inverz négyzetes törvény minden frekvenciára azonosan vonatkozik. Visszatérve mikrofonunkhoz, mivel különböző úthosszal érhető el a membrán eleje ill. hátulja, az inverz négyzetes törvény szerint különböző hangnyomásszint alakul ki a membrán előtt és mögött. Mekkora ez a különbség? Ha mondjuk 1 méterről mikrofonozunk valamit, akkor a membrán eleje 1 m-re, hátulja 1,0085 m-re van a hangforrástól. Legyen például 1 W akusztikus teljesítményű a hangforrásunk, akkor a mikrofon membránja előtti és mögötti térrészek nyomáskülönbsége 0,047 Pa-nak adódik. 2 m-re helyezve a mikrofont, a hangnyomáskülönbség 0,012 Pa. Látható, hogy kisebb távolságon nagyobb az inverz négyzetes komponens hatása a mikrofonra. Bátran levonhatjuk azt a következtetést is, hogy még közelebb kerülve a hangforráshoz, még jobban megnő az inverz négyzetes komponens hatása. Ez a hatás nem függ a frekvenciától, tehát konstans egyenesként ábrázolható a frekvencia függvényében.

A következő ábrán együtt látható a gradiens komponens és az inverz négyzetes komponens, a hangforrástól távol elhelyezett mikrofon esetében. Nagyobb távolság esetén a nyomás gradiens jóval nagyobb. Mint az inverz négyzetes komponens. Az ábra a csillapítatlan állapotot ábrázolja.

Ha a korábban tárgyaltak szerint beiktatjuk a 6 dB/oktáv meredekségű csillapítást, akkor a következő elvi ábrát kapjuk:

Ha a mikrofon közelebb kerül a hangforráshoz, az inverz négyzetes komponens hatása megnő, keresztezi a gradiens komponens egyenesét. A csillapítatlan állapotot bemutató diagramon ez jól látható:

A csillapítás beiktatásával kapjuk a következő, ismerősnek tűnő ábrát:

Ebben a távolságban már megfigyelhető némi mélyemelés. Még közelebb kerülve a hangforráshoz, még tovább erősödik a mély frekvenciák kiemelése, mint az a következő két ábrán látható (csillapítatlan, ill. csillapított membránra vonatkozóan):

Hát így keletkezik a közeltéri mélyemelés. Nézzünk csak meg egy tipikus frekvenciamenet-megadást egy mikrofon specifikációjából:

Látható, hogy már 5 cm-ről erőteljes, mintegy 4 dB mélyhang-kiemelés lép fel. Megfelezve a távolságot, már 8 dB, 3 mm-ről pedig 13 dB a kiemelés.

Összefoglalva:

Az összes irányított mikrofonra jellemző a közeltéri hatás, azaz a mélyhangok drasztikus kiemelése kis távolságból való mikrofonozás esetén.

Az irányított mikrofonok jelét alapvetően két összetevő határozza meg: a nyomás gradiens és az inverz négyzetes komponens. Nagyobb távolságból (>20 cm) való mikrofonozás esetén a nyomás gradiens érvényesül. Mivel ez frekvenciafüggő jelenség, a konstans átvitel érdekében kompenzálni kell egy ellentétes hatással: a membrán csillapításával.

5 cm-re vagy még jobban megközelítve a hangforrást, az inverz négyzetes komponens hatása felerősödik, mivel a membrán előtti és mögötti térrészhez tartozó úthosszak kezdenek jelentősen eltérni. Mivel az inverz négyzetes komponens frekvenciában konstans, a mikrofonba iktatott csillapítás miatt végülis a mély frekvenciák irányában egyre növekvő jellegű lesz. Ha pedig ez az összetevő válik dominánssá, azaz a spektrum egy részében a nyomás gradiens fölé kerül, akkor megvalósul a mélyemelés, azaz a közeltéri hatás.

Zöld Zsolt

Forrás: John Eargle – The Microphone Book, Wikipedia.org, Shure Pro Audio Technical Library