Autor: Dr. Richard Barnert

Woher kommt der Begriff Kleinmembran?

Um zu verstehen, wie es zu den unterschiedlichen Größen von Kondensatormikrofonen und deren Anwendungsgebieten gekommen ist, empfiehlt sich ein kurzer Ausflug in die technische Geschichte des vorigen Jahrhunderts. Gegen 1928 waren erste Kondensatormikrofone zwar bekannt, jedoch sollten noch einige Jahre vergehen, bis diese wirklich kommerziell zur Schallwandlung genutzt wurden. Der effektive Durchmesser der schwingenden Membran der ersten Mikrofonkapseln betrug 1 Zoll und mehr, da durch die große Fläche ein Maximum an Empfindlichkeit erreicht werden konnte. Erst in den 40er Jahren kam es zum großen Durchbruch der Kondensatormikrofone, denen es gelang, die bis dahin hauptsächlich verwendeten Bändchenmikrofone abzulösen. Zusätzlich wurde der Ruf der Fernsehgesellschaften nach kleineren und handlicheren Modellen immer lauter, und so wurde mit der Entwicklung von Bauformen begonnen, deren Membrandurchmesser deutlich unter 1 Zoll liegen sollte. Um diese Bauformen von den bis dato üblichen zu unterscheiden, wurde der Begriff Kleinmembran-Kondensatormikrofon geprägt. Die bis dahin verwendeten Kapseln wurden damit automatisch zu Großmembrankapseln. Bis zum heutigen Tag ist es in der Branche üblich, alle Kapseln mit Membrandurchmessern von kleiner als 1 Zoll als Kleinmembran zu bezeichnen, auch wenn es manche junge Firmen gibt, die es mit dieser geschichtlich gewachsenen Begriffsbestimmung nicht so ernst nehmen und Membranen mit 0,75 Zoll Durchmesser auch als Großmembran bezeichnen.

Seit dem Aufkommen der ersten kleinen Kapseln hat sich nun aber einiges geändert. Sämtliche Bauformen bis hin zur kaum sichtbaren Miniaturkapsel sind technisch machbar und auch am Markt erhältlich. Und tatsächlich ist es ja so, daß der Kapseldurchmesser den Klang maßgeblich beeinflußt und damit den Anwendungszweck des Mikrofons mitbestimmt. Je kleiner der Kapseldurchmesser wird, desto höhere Frequenzen können übertragen werden. De facto besitzen Großmembranen eine typische obere Grenzfrequenz von ca 12 kHz, während Kleinmembranen mühelos bis 20 kHz übertragen können. Andererseits verliert man bei kleinen Kapseln an Kondensatorfläche, wodurch die Empfindlichkeit sinkt und der Rauschabstand verschlechtert wird. Es gilt auch das Prinzip: Je kleiner die Kapsel, desto neutraler und präziser ist auch das Klangbild. Im Gegensatz dazu ist es ein typisches Merkmal von Großmembranmikrofonen, daß sie für das Schallfeld ein großes mechanisches Hindernis darstellen und das Schallfeld durch die Plazierung eines dermaßen großen Fremdkörpers bewußt verzerrt wird. Einerseits entsteht dadurch eine für diesen Mikrofontyp charakteristische Klangfärbung, andererseits ist die Richtcharakteristik aufgrund der großen Abmessungen sehr frequenzabhängig und auch nicht sehr ausgeprägt. Typische Löschungswerte sind 20 dB für eine Nieren-Großmembrane, während bis zu 35 dB Löschung für Kleinmembranen keine Seltenheit sind. Letztere sind auch wesentlich günstiger in der Herstellung als ihre großen Geschwister, bei denen eine wesentlich genauere Fertigungstoleranz über große Flächen eingehalten werden muß. Nicht umsonst ist die Anzahl von Großmembran-Produzenten weltweit daher immer noch sehr überschaubar.

AKG C 2000B: Das Kleinmembran-Mikrophon mit den großen Eigenschaften

Ziel bei der Entwicklung des AKG C 2000B war es, die positiven Eigenschaften eines Großmembranmikrofons in ein ½ Zoll Kleinmembranmikrofon zu transportieren und auf diese Weise das beste beider Welten zu vereinen – sowohl technisch als auch preislich, denn echte Großmembranen sind immer noch deutlich über dem Preis ihrer kleinen Geschwister angesiedelt.

Abbildung 1: Das AKG C 2000B von innen

Wie ist es also möglich, die bauformtypischen Nachteile einer kleinen Kapsel zu umgehen? Dazu sei erst die übliche Bauform einer Kondensatorkapsel betrachtet (Abbildung 2). Über einer starren Elektrode – üblicherweise als Backplate bezeichnet – wird in einem festen Abstand von üblicherweise 40 bis 60 mikrometern eine metallbeschichtete Kunststoffmembrane gespannt. Diese wenige mikrometer dicke Membrane formt gemeinsam mit der Backplate einen Plattenkondensator, der mit einer Gleichspannung U0 gespeist wird. Hinter der Backplate sind noch akustische Reibungselemente platziert, die gemeinsam mit dem erzwungenen Schallumweg des hinteren Schalleinlasses die Richtcharakteristik des Mikrofons bestimmen. Nur bei Kugelkapseln ist dieser hintere Schalleinlaß nicht vorhanden, hier sitzt die Backplate über einem abgeschlossenen Volumen. Eine ebenfalls häufig anzutreffende Bauform zeigt Abbildung 3. Hier wird die Membran in der Mitte durch eine Schraube fixiert.

Abbildung 2: Schnittzeichnung einer typischen Kondensatorkapsel

Abbildung 3: Kondensatorkapsel mit zentral fixierter Membran

Diese Fixierung beeinflußt natürlich das Schwingungsverhalten der Membrane ganz enorm, womit natürlich auch der Frequenzgang des Mikrophons verändert wird. Eine der grundlegenden Eigenschaften der Kondensatormembran ist die Tatsache, daß die Membran bei bestimmten Frequenzen in bevorzugten Moden – sogenannte Eigenmoden - schwingt. Diese Moden können sehr elegant mit Computern berechnet und mit einem Lasermeßgerät verifiziert werden. In Abbildung 4 sieht man typische Eigenmoden der offenen Membran, während Abbildung 5 die entsprechenden Moden der fixierten Membrane zeigt.

Abbildung 4: Eigenmoden einer offenen Kondensatormembrane

Abbildung 5: Eigenmoden einer mittig fixierten Kondensatormembrane

Die Beschreibung dieser Eigenmoden erfolgt durch Indizes m und n. Der Index m bestimmt die Anzahl der radialen Knotenlinien während der Index n die Anzahl der azimuthalen Knotenkreise festlegt. Die Eigenmoden treten bei bestimmten Frequenzen auf und produzieren bei dieser Frequenz eine entsprechende Ausgangsspannung Umn. Durch Summieren aller Eigenmoden läßt sich der Frequenzgang des Systems berechnen. Der mathematische Ansatz für die modenabhänige Ausgangsspannung lautet:

Re{ymn} sind dabei die Bessel- Lösungen der mechanischen Wellengleichung. Eine eingehende Studie wurde auf der 111th AES Convention präsentiert [Richard Barnert: Modal Improved Condenser Microphone, Proc. 111th AES Convention, 2001 Sept 21-24, New York, NY, USA]

Mit der Kenntnis der Eigenmoden und deren Auswirkungen können die Parameter der Kapsel nun ganz gezielt verändert werden.

Die AKG C 2000B Membran Technologie

Abbildung 6: Kondensatorkapsel des AKG C 2000B

Bei der Kapsel des AKG C 2000B wird die Membrane wie in Abbildung 6 gestreckt und gegen die Backplate gepreßt. Dadurch ist der Abstand zwischen Membran und Backplate nicht mehr konstant. Dieses Design wurde zum Patent angemeldet [EP1120996.A] und erlaubt dem Entwickler wesentlich mehr Möglichkeiten als die beiden bisher üblichen Bauformen. Einfach erklärt funktioniert das so: Je geringer der Abstand zwischen Membrane und Backplate, desto empfindlicher ist die Kapsel. Durch das Strecken der Membrane ist beim AKG C 2000B der Abstand zwischen Membran und Backplate nicht konstant wie bei konventionellen Bauformen, sondern ist im Mittelpunkt sehr gering und wird erst erst zum Rand hin größer. Am Rand entspricht der Abstand dann dem üblichen Abstand von 40 bis 60 mikrometern. Schwingungen nahe des Mittelpunkts werden daher stärker in den Gesamtfrequenzgang eingehen als Schwingungen am Rand der Kapsel. Durch diese Formgebung kann der Frequenzgang gezielt modelliert werden. Im vorliegenden Fall wurde auf diese Weise der Baßbereich erweitert. Dank des neuen Designs spielt das AKG C 2000B um gut eine Oktave tiefer hinunter als vergleichbare Mikrophone.

Auch das verwendete Material spielt eine wichtige Rolle. Wie bei den meisten AKG-Mikrofonen wird auch hier hochwertiges Polycarbonat anstelle der sonst üblichen Polyestermischung Mylar für die Membran verwendet. Dadurch ergibt sich eine um vieles bessere mechanische Belastbarkeit, und auch der Einfluß von Temperatur und Feuchte wird drastisch reduziert.

Aufgrund der neuen Bauweise ergibt sich außerdem noch ein weiterer wichtiger Vorteil. Die Empfindlichkeit einer Kondensatorkapsel wird unter anderem durch die maximale Auslenkbarkeit der Membrane beschränkt. Bei hohen Schalldrücken erfährt diese eine große Auslenkung und kann gegen die Backplate gedrückt werden, wie in Abbildung 7. So ein Vorfall macht sich im harmlosesten Fall als unliebsames Geräusch bemerkbar, im schlimmsten Fall bleibt die Membran sogar auf der Backplate haften und das Mikrofon wird somit unbrauchbar. Klarerweise muß die Kapsel so konstruiert werden, daß so ein Fall nie eintritt, was sich aber bei konventionellen Designs meist negativ auf die Empfindlichkeit auswirkt.

Abbildung 7: Auslenkung einer Kondensatormembran bei hohem Schalldruck

Die Membrane des AKG C 2000B neigt viel weniger zum ankleben als andere Bauformen, was unter anderem auf die veränderte Form der Eigenmoden zurückzuführen ist. Durch das Strecken der Membrane können 3 dB mehr Empfindlichkeit und damit auch ein 3 dB höherer Rauschabstand gegenüber konventionellen Kapseln gewonnen werden.

Ein weiteres Meisterstück ist mit der Kapsellagerung gelungen. Denn was nutzt die beste Kapsel, wenn die mechanisch-akustische Umgebung nicht stimmt? So wurde der neuen Kapsel eine computeroptimierte Gummilagerung verpaßt, die dem Klang des Mikrofons erst den letzten Feinschliff verleiht. Durch Anpassung der mechanischen Admittanzen von Kapsel und Aufhängung gelang es, Griffgeräusche um mehr als 40 dB zu unterdrücken. Außerdem sorgen Löcher in der Aufhängung für einen akustischen Kurzschluß, der die hervorragende Richtcharakteristik einer Kleinmembrankapsel ermöglicht. Bei 180 Grad erhält man Löschungswerte von 20 dB, wie bei einer typischen Großmembran-Niere. Bei 155 Grad weist das AKG C 2000B jedoch sagenhafte Löschungen von 35 dB auf. Dadurch kann es auch als Livemikro dort eingesetzt werden, wo ein Großmembranklang erwünscht ist, Großmembranen aufgrund ihrer typischen Richteigenschaften bisher aber immer versagt haben.

Abbildung 8: Frequenzgang des AKG C 2000B

Zusammengefaßt kann also gesagt werden, daß es mit dem innovativen Design des AKG C 2000B gelungen ist, die positiven Eigenschaften von Groß- und Kleinmembran in einer Variante zu vereinen. Durch eine neuartige Kapsel und computeroptimierte Akustikentwicklung weist das das AKG C 2000B trotz seiner preislich günstigen Halbzoll-Membran typische Eigenschaften auf, die bisher wesentlich teureren Großmembranmikrofonen vorbehalten waren.

Mit freundlicher Genehmigung der AKG Acoustics GmbH.