Dr.Godfried-Willem RAES

Kursus Akoestiek: Boekdeel 4: audiotechnologie

AUGENT - Hogeschool Gent : Departement Muziek

4520:

KONTAKTMIKROFONEN

• Niet-akoestische transducers
• Kontaktmikrofoons
• Trillingsopnemers

Algemene Inhoudsomschrijving

In dit hoofdstuk zullen technische hulpmiddelen worden aangemaakt en bestudeerd waarmee we de wereld van de mikrosonore trillingen kunnen gaan verkennen, onderzoeken en eventueel ook muzikaal aanwendbaar maken. Aan de orde komen dan ook de bouw van kontaktmikrofoons met piezoelektrische kristallen, van elektromagnetische trillingsopnemers evenals van eenvoudige schakelingen waarmee deze sonoor-mikroskopische trillingen ten gehore kunnen worden gebracht. Vanuit de hierbij opgedane ervaringen kunnen dan enerzijds instrumenten worden gebouwd waarmee uiterst persoonlijke klankwerelden kunnen uitgedrukt worden en anderzijds de basis gelegd voor eigen experimenteel kwantitatief empirisch onderzoek van trillingen.

1. GELUID = trilling van luchtmolekulen

In feite gaat het hier fysisch gezien om luchtdrukmodulaties die we 'geluid' noemen vanzodra de frekwentie van die modulatie binnen het bereik valt waarvoor het menselijk oor gevoelig is. Onder de laagste hoorbare frekwentie ( ca. 20 Hz = 20 s^-1 ) spreken we van infrasoon geluid , boven de hoorgrens van ultrasoon geluid ( ca.18 kHz = 18E3 s^-1) . (cfr. inleidende lessen over akoestiek).

Om deze trillingen in elektrische spanningen om te zetten maken we veelal gebruik van mikrofoons. De spanningen die we zo kunnen verkrijgen zijn evenwel steeds uitermate klein, omdat we slechts een heel klein deeltje van de geluidsenergie kunnen opvangen. Dit deel is evenredig met de oppervlakte van het gebruikte membraan. Nu kunnen we echter niet om grotere signalen te krijgen zomaar ons membraan vergroten , want een studie van de akoestische eigenschappen van membranen leert ons dat naarmate de diameter van het membraan toeneemt, de resonantiefrekwentie ervan afneemt en de eigenmassa toeneemt. Een verdere analyse wijst uit dat naarmate de diameter van het membraan groter wordt genomen , de hoogste nog in elektrische signalen omzetbare frekwentie daalt.

Onder meer daarom gebruikt men voor (lucht-)mikrofoons omzeggens nooit membranen groter dan ongeveer 3 cm diameter.

(cfr. hoofdstukjes over klassieke mikrofoontechnieken voor opname, meting en geluidsversterking).

2. De mogelijke bronnen van geluid

a. de lucht kan rechtstreeks tot trillen worden gebracht:

- door frekwentiemodulatie van een luchtstroom

b. een luchtstroom kan over een trillend objekt worden gevoerd waardoor de trilling van het objekt op de luchtstroom wordt overgedragen.

c. een trillend objekt kan rechtstreeks trilling op de lucht overdragen

d. een trillend objekt deelt zijn trilling mee aan een relatief groot resonerend oppervlak ( klankkast , resonator) dat op zijn beurt de lucht doet rillen.

Het is de preciese fysische toedracht bij de geluidsproduktie in een bron die zal bepalen welke technieken ons ter beschikking staan om de trillingen in een elektrisch bruikbaar signaal om te zetten.

3.Transducers

1. Toepassingsgebieden

In alle gevallen b. tot d. is het mogelijk een elektrisch signaal evenredig met de trilling op te wekken, zonder daarvoor de trillende lucht (het geluid zelf dus) te gebruiken.

In geval b. is dit het moeilijkst omdat het aanbrengen van een transducer op het trillende objekt noodzakelijkerwijze de op te nemen trilling zelf beinvloedt. De eigenmassa van de transducer zou idealiter een fraktie moeten bedragen van die van het trillend objekt. Maar, hoe kleiner die massa, hoe kleiner ook de grootte van het opgewekte elektrisch signaal. Daarom blijft in de meeste gevallen de klassieke akoestische mikrofoon vaak de meest aangewezen weg om deze geluiden in elektrische signalen om te zetten.

In de gevallen c. en d. kunnen we de transducer rechtstreeks op hetzij het trillend objekt, hetzij de resonator aanbrengen.

Overigens moet ook worden opgemerkt dat het gebruik van transducers ons toelaat trillingen in voorwerpen hoorbaar te maken, die we anders helemaal niet zouden kunnen waarnemen. Hier betreden we dan het terrein van het mikrosonore. (cfr. het 'makrosonore' van het klankschap). Het is ook essentieel voor onderzoek in instrumentenbouw en de akoestiek van muziekinstrumenten.

2. Technische principes

- Elektromagnetisme

Elektromagnetische eigenschappen kunnen bijna steeds worden toegepast in transducers. Hun toepassing ligt evenwel voor de hand daar waar het trillend objekt zelf ferromagnetische eigenschappen heeft. We onderscheiden enkele principieel verschillende gevallen en mogelijkheden:

1. Het trillend objekt is zelf ferromagnetisch

vb. : metaalsnaren : elektrische gitaar.

Hiervoor maken we van een permanente magneet een elektromagneet, door er een spoel op te wikkelen. Het trillend objekt zal, gebracht binnen het magneetveld van de elektromagneet, hierin een elektrische spanning opwekken. Als nieuwer alternatief kunnen we hier ook gebruik maken van op het Hall-effekt gebaseerde halfgeleiders. Hall-sensors kunnen erg klein worden gemaakt en hun karakteristieken maken hen erg geschikt voor toepassingen in instrumenten.

PRAKTIJKVOORBEELD :

• Bouw van een opneemelement voor stalen snaren.
• Berekening van aangepaste voorversterkers.
• Meting van de parameters induktie, impedantie, frekwentieverloop, signaalafgifte.

2. Het trillend objekt is elektrisch geleidend

In dit geval is het soms mogelijk het objekt (vb. een snaar of een veer) te beschouwen als een elektrische spoel. Wanneer we nu binnen het veld van deze spoel een permanent magneetveld aanbrengen, dan zal in deze spoel gevormd door het trillend objekt, een elektrische spanning worden opgewekt. (Moving-Coil principe)

3. Het trillend objekt is niet zelf ferromagnetisch

• a. We kunnen het ferromagnetisch maken door er een klein stukje ferromagnetisch materiaal op aan te brengen en dit te laten meetrillen. Verder gaan we tewerk zoals hiervoor.
• b. We kunnen de autonome elektromagnetische transducer op het trillend objekt of op de resonator aanbrengen.

Voor de konstruktie daarvan kunnen weer beide vorige principes worden aangewend.

PRAKTIJKVOORBEELD: Moving Coil transducer

• - werkingsprincipes : elektromagnetisme via inertie
• - konstruktie: verwijder voorzichtig van een klein luidsprekertje met een impedantie van ca. 50 Ohm het membraan. Het frame van de luidspreker wordt op de resonator stevig vastgemaakt. De spreekspoel wordt op een voorversterker aangesloten.

Intrinsieke nadelen van ferromagnetische opnemers zijn: de relatief lage spanningsafgifte, en vooral de hoge stoorgevoeligheid voor elektromagnetische velden (brom!).

- Optika

We kunnen het trillend objekt gebruiken als modulator voor een lichtbron. Het gemoduleerde licht kan dan via een fotocel in een elektrisch signaal omgezet worden.

Voordelen : zowat de geringst mogelijke beinvloeding van de trillingsbron kan hier worden bereikt. De trillingsbron wordt immers niet in het minst mechanisch belast.

Nadelen : de karakteristieken van de huidige fotocellen e.d. beperken zeer sterk de haalbare signaal/ruisverhouding. De signaalnivoos van de opnemers zijn uitermate klein en dus moeilijk hanteerbaar .Het frekwentiebereik is beperkt. Bovendien zijn er veel storingsbronnen in de vorm van gemoduleerd licht (TL-verlichting, niet konstante lichtsterkte van de omgeving, infraroodbronnen ... ).

Toepassingen: militaire spionage (laserlicht op resonerende vlakken zoals ramen ...). Merk op dat in CD en DVD spelers eveneens van deze techniek gebruik wordt gemaakt, maar dat hier digitale informatie wordt uitgelezen waardoor onze opmerking m.b.t. de slechte signaal/ruis karakteristiek hier geen rol speelt.

- Electriciteit

We kunnen, wanneer hetzij de trillingsbron, hetzij de resonator , elektrisch geleidend is of kan worden gemaakt door een behandeling , een kondensator vormen met het trillend objekt als ene plaat en een niet bewegend elektrisch geleidend oppervlak als tweede plaat in de onmiddelijke nabijheid van de eerste.

Deze kondensator wordt nu onder een zeer hoge gelijkspanning gebracht. Wisselingen in de capacitieve waarde zullen nu ladingsverschillen tot gevolg hebben die recht evenredig zijn met de trilling.

Voordelen : geringe mechanische beinvloeding van de trillingsbron, vrij grote spanningsafgifte soms haalbaar.

Nadelen : gevaarlijke hoogspanning nodig

hoogohmige spanningsbron

bromgevoeligheid

- Piezo-elektrisch principe

Sommige kristallen hebben de eigenschap rechtstreeks een elektrische spanning op te wekken in funktie van de erop uitgeoefende druk. Deze eigenschap is bovendien omkeerbaar: wanneer we er een elektrische spanning op aanbrengen, dan beweegt het kristal.

Deze kristallen kunnen rechstreeks op trillende objekten of resonatoren worden aangebracht.

Voordelen :

• Zeer grote spanningsafgifte

Nadelen :

• Frekwentieweergave is niet lineair (dit valt elektronisch te kompenseren)
• Grote gevoeligheid voor vocht
• Fragiliteit

PRAKTIJKVOORBEELD :

bouw van piezoelektrische trillingsopnemers. Demping van ongewenste resonanties.

Ontwerp en berekening van aangepaste voorversterkerschakelingen met operationele versterkers. (cfr. boekdeel 2: live-electronics: 2006.html)

Het keramisch materiaal is absoluut niet bestand tegen buiging. Hoewel de bevestiging op muziekinstrumenten met dubbelzijdig kleefband goed werkt, levert het losmaken van de kontaktmikro problemen op die erg vaak het keramisch materiaal door buigbelasting vernietigen. Piezo's zijn ook vochtgevoelig en zijn evenmin bestand tegen hoge temperaturen.

- kynar-film

Dit relatief nieuwe materiaal behoort eigenlijk ook tot de piezoelektrische kategorie, maar het heeft wel een aantal heel bijzondere eigenschappen: het is een piezoelektrische buigzame film die op een kunststof (mylarfolie meestal) wordt opgebracht. Het materiaal is uitstekend geschikt voor gebruik als kontaktmikrofoon, maar de elektrische verbinding ermee is niet zo eenvoudig. Wanneer het wordt gesoldeerd smelt het en werkt het niet meer. Er moet dus gebruik gemaakt worden van elektrisch geleidende lijmsoorten die bijzonder duur zijn en mechanisch welhaast niet kunnen worden belast. Mechanisch inklemmen tussen twee soldeerbare kontaktblokjes is natuurlijk eveneens een mogelijkheid.

Voordelen:

• - grote spanningsafgifte, hoewel kleiner dan die van vast piezokeramisch materiaal.
• - flexibiliteit (maar mag niet dichtgeplooid worden)

Nadelen:

• - moeilijke verbinding
• - bijzonder hoogohmig
• - niet frekwentielineair (moet elektronisch gekompenseerd worden)
• - vochtgevoelig.
• - komplexe elektronische technieken

1. frekwentiemodulatie

het trillend objekt wordt in een H.F.trillingskringopgenomen. Dit signaal wordt nadien terug gedemoduleerd, in de FM-discriminator.

2. amplitudemodulatie

3. pulsbreedtemodulatie

4. Toepassingen in de alternatieve instrumentenbouw

Voorbeelden van monochorden , fingerboxes , kontaktmikrofoons, springboards , motor-sirenes ...

5. Kommercieel verkrijgbare types kontaktmikrofoons

• - C-Ducer (gebaseerd op Kynar film)
• - Schaller (elektromagnetisch)
• - Barcus Berry (piezoelektrisch)
• - AKG (diverse types)

6. Toepassingen op klassieke muziekinstrumenten

Wanneer het de bedoeling is een klassiek instrument via een kontaktmikrofoon te versterken of op te nemen dan moet men er zich steeds van bewust zijn dat het bereikte resultaat in geen geval hetzelfde kan zijn dan wat via een traditionele 'lucht'-mikrofoon kan worden bereikt. Wanneer het gebruik van kontaktmikrofoons door komponisten wordt voorgeschreven, hebben zij daar dan ook tertege mee rekening gehouden. Zo bijvoorbeeld George Crumb in diens elektrisch versterkt strijkkwartet 'Black Angels'.

Om een optimaal resultaat te verkrijgen is een goed inzicht in de werking van enerzijds het instrument en anderzijds de gebruikte transducer nogal essentieel, hoewel we nooit aan een flink deel experimenteren met de plaatsing van de transducer kunnen ontkomen. Op grond van eigen ervaringen zijn echter wel enkele aanwijzingen te geven.

1. Strijkinstrumenten

De trilling ontstaat in de snaar en wordt via de kam op de klankkast overgebracht. De klankkast brengt de trilling over op de lucht. Hieruit volgt dat de meest direkte plaats waar we de trilling zouden kunnen omzetten de snaar is. Dit nu is in nagenoeg alle gevallen zowel onmogelijk als onwenselijk. Onmogelijk omdat het een transducer per snaar zou vergen, en onwenselijk omdat zowat alles wat typisch is in de klank van traditionele strijkinstrumenten hierbij zou wegvallen. Bovendien zouden de transducers op de snaren die snaren teveel in hun trilling beinvloeden wat de speler zou frustreren. De eerstvolgende en o.i. ook de meest aangewezen plek is dan de kam. Hier worden immers de trillingen van alle snaren samengebracht en onder grote druk op de klankkast gezet. De trillingen zijn vertikaal op de klankkast gericht, waardoor het voor de hand zou liggen hen ook in die richting op te nemen. Daartoe moet echter de transducer tussen kam en klankkast worden geplaatst. Gezien de nauwe aansluiting tussen beide in de instrumenten van de viool-familie kan dit niet worden gedaan tenzij door de gehele kam te vervangen door een die op het instrument is aangepast en waarin de transducer op ideale wijze werd ingebouwd. Piezo-elektrische transducers zijn hier het meest aangewezen omwille van hun minimaal volume. De meeste bespelers van strijkinstrumenten zijn evenwel slechts node bereid hun kam om te wisselen. Een verder kompromis kan er dan in bestaan de transducer op de bestaande kam aan te brengen met ofwel een kleine klemveer, ofwel 'buddy-pasta' (een niet hechtende kleefstof), ofwel dubbelzijdig klevend plakband. Deze bevestigingswijzen hebben alle het nadeel dat de akoestische klank van het instrument wordt beinvloed, meer bepaald dat het gaat klinken alsof er met een sordine (demper) wordt gespeeld. Dit effekt valt uiteraard meer op naarmate de verhouding massa van de kam tot massa van de transducer meer het getal 1 nadert. M.a.w. het valt het meest op bij de viool , het minst bij de kontrabas.

Pogingen zijn ondernomen om transducers aan te brengen op de klankkast, snaarhouder, krul... Deze zijn echter zonder uitzondering te verwerpen. Transducers op de klankkast geven een gering signaal waardoor er een grote kans op feedback optreedt evenals een gering aantal hoge frekwenties. Bovendien wordt de lak beschadigd door de bevestiging. Binnenin de klankkast is helemaal uitgesloten want daar treden er teveel vaste resonanties op. Op de snaarhouder klink afschuwelijk want daar krijgen we altijd het meeklinken van de dode snaaruiteinden naast een lage toon die overeenkomt met de eigenresonantie van de snaarhouder. Op de krul is zowat de meest onzinnige plek, tenzij het de bedoeling zou zijn het kontaktgeluid van de vingers op de toets van het instrument te versterken.

Een interessante maar beslist niet algemeen bruikbare mogelijkheid bestaat erin de kontaktmikrofoon (bij voorkeur kynar of piezoelektrisch) te bevestigen op het haar van de strijkstok ter hoogte van de slof. Bij deze uiterst onkonventionele plaatsing wordt uiteraard alleen een signaal afgegeven wanneer ook effektief gestreken wordt. Anders gesteld, de galm van het instrument gaat per definitie geheel verloren. Deze plaatsing is o.m. uiterst geschikt in kombinatie met een pitch naar midi konverter. Ik heb het zelf toegepast in mijn cello kompositie 'Cello-Pi'.

2. Besnaarde toetsinstrumenten

Piano , klavichord, klavecimbel...

Op deze instrumenten beschikken we over een klankbodem die een bijzonder groot oppervlak beslaat. We beschikken voor de plaatsing van kontaktmikrofoons over heel wat experimenteermogelijkheden. Bij pianos is het vaak eenvoudiger de kontaktmikrofoon aan de onderkant van de piano tegen de klankbodem te bevestigen. Bij klavecimbels is de onderkant helaas vaak ontoegankelijk. Een ideale plek voor de plaatsing van kontaktmikrofoons bij klavecimbels is nochtans de onderkant van de plek waar de kam op de klankbodem is gekleefd. Wel moeten dan meerdere mikrofoonelementen worden toegepast.

Op piano's zijn alle types kontaktmikrofoons in prrincipe bruikbaar. Echter, wanneer we van elektromagneten gebruik maken, hebben we er wel erg veel nodig om alle snaren te bestrijken.

Bij klavecimbels en klavikorden kunnen elektromagneten alleen worden gebruikt wanneer ze met ferromagnetische snaren zijn bespannen, wat slechts zelden het geval is.

Voor klavichorden bleken uit onze ervaring kynar-transducers nog het best geschikt, hoewel we steeds in verhouding teveel bijgeluiden van de mechaniek mee opnemen.

Voor piano's en klavecimbels zijn ook moving-coil elementen beslist enige experimenteertijd waard.

3. Rietinstrumenten

saxofoons, klarinetten, hobo , fagot

Kontaktmikrofoons kunnen hier weliswaar worden gebruikt , maar zij beinvloeden steeds de klank en speelwijze van het instrument. Immers het enige trillende vastestof gedeelte van deze instrumenten is het rietje. De mikrofoon dient dan ook op ditlaatste te worden aangebracht ! Bij de hobo is het zo goed als uitgesloten vanwege het kleine formaat van het riet. Ook op de fagot heb ik het zelf nooit weten toepassen. Op de enkelrietinstrumenten wordt het echter heel vaak gedaan in jazz en pop-muziek. De transducer wordt met een beugelschroef op het riet daar waar het net niet meer in de mond zit, geklemd.
Voor klarinetten kan ook een speciaal tonnetje worden gemaakt waarin een kapilair gaatje wordt geboord waarop aansluitend een transducer wordt gemonteerd. We hebben zelf met sukses daarvoor een oorkapsule uit een Laperre hoorapparaat toegepast.

4. Dwarsfluiten

Voor de dwarsfluit kan er in strikte zin eigenlijk geen kontaktmikrofoon bestaan. De lucht wordt hier immers rechtsreeks in trilling gebracht. De speciale mikrofoons die voor de dwarsfluit te bouwen zijn en die ook in de handel verkrijgbaar zijn , worden ondergebracht in de stop van het instrument. In wezen zijn het echter luchtdruktransducers in miniatuur- en vochtvrijeuitvoering.

Kontaktmikrofoons op de fluit versterken uitsluitend het geluid van de rammelende klepjes evenals sporadische resonanties in het metaal van het instrument.

5. Koperblaasinstrumenten

Trompet, hoorn, trombone, tuba , serpent ...

In grote lijnen geldt op grond van wat we hiervoor reeds stelden hier hetzelfde als voor de dwarsfluit. Verkrijgbare mikrofoons zijn ook hier niet echt kontaktmikrofoons. De bestaande types (o.m. van het merk Barcus Barry) worden op het miondstuk aangebracht en zijn via een kapilair kanaal dat van de mikro naar de holte van het mondstuk loopt op de trillende lucht aangesloten.

De meest aangewende mikrofoon voor koperblaasinstrumenten is en blijkt echter steeds de klassieke akoestische mikrofoon. In werkelijke close-miking toepassingen wordt deze dan via een elastisch spansysteem of een klemmetje vlak voor de klankbeker geplaatst. Er dient op te worden gewezen dat dit echter het spel met sordines zeer sterk hindert zoniet onmogelijk maakt.

6. Tokkelinstrumenten

Harp , gitaar , mandoline, luit ...

Op de klankkast zoveel mogelijk onder de plaats waar de kam op de klankkast terecht komt.

Op harpen is de toepassing van twee of meer kontaktmikrofoons meestal noodzakelijk. Overigens geldt hier ook wat we zegden in verband met pianos en klavecimbels.

Filedate: 881213 - updated: 2010-11-08