Als u weet wat cardioïde en wat omni is, kunt u betere opnamen maken.
In elk leerboek over muziektechnologie staat een beschrijving van de verschillende microfoonpickup-patronen, maar wat de meeste gebruikers echt willen weten is welke voordelen de verschillende patronen hebben, en in welke situatie je ze zou kunnen kiezen. In dit artikel concentreer ik me op ‘single microphone’ toepassingen en niet op stereo, waar we in een volgend artikel op in zullen gaan.
Basis
Het is de moeite waard om te onthouden dat hoewel de afgedrukte polaire patronen in twee dimensies zijn (zoals hieronder), het werkelijke patroon driedimensionaal is. Zo ziet een omnidirectioneel microfoonpatroon er op papier uit als een cirkel, maar in werkelijkheid is het een bol.
Ondanks dat sommige microfoons meerdere schakelbare pickup patronen aanbieden, zijn er maar twee fundamentele patronen: het omni en het achtpunt. Alle andere patronen die tegenwoordig in gebruik zijn, inclusief het populaire cardioïde, worden gecreëerd door deze twee in verschillende verhoudingen te combineren.
Omni-microfoons worden vaak ‘drukmicrofoons’ genoemd, omdat ze in wezen de geluidsdruk op een punt in de ruimte meten. Een diafragma is bevestigd over de mond van een afgesloten holte, zodat de microfoon zich in feite gedraagt als een zeer kleine barometer die in staat is om veranderingen in de geluidsfrequentie druk te volgen – maar hij heeft geen middelen om de richting van de geluidsgolven te detecteren, vandaar dat hij een omnidirectioneel polair patroon heeft. Omdat deze opstelling alleen druk registreert, maakt het niet uit uit welke richting het geluid komt. Het enige dat telt is de verandering in druk op dat punt in de ruimte, dus hij is min of meer even gevoelig voor geluiden uit alle richtingen – houd deze gedachte vast, want ik kom er zo op terug.
Om te voorkomen dat de microfoon zich teveel gedraagt als een meteorologische barometer en reageert op weersveranderingen, is in de holte een heel klein luchtlek of ventilatiegat ingebouwd, zodat drukveranderingen bij zeer lage frequenties als gevolg van het weer (of de hoogte) het membraan niet permanent naar binnen of buiten dwingen. Bij audiofrequenties kan de holte echter als afgesloten worden beschouwd.
De mechanische eenvoud van dit ‘drukgestuurde’ ontwerp betekent dat geluid buiten de as nog steeds redelijk nauwkeurig wordt opgepikt (in termen van frequentierespons), maar de fysieke afmetingen van het diafragma van een microfoon zullen altijd resulteren in enig verlies bij hoge frequenties als je je buiten de as beweegt – en hoe groter het diafragma, des te uitgesprokener zal dit verlies bij hoge frequenties zijn. Als u zich een geluid voorstelt dat een diafragma op, zeg, 45 graden van de as nadert, zal het geluid de ene kant van het diafragma iets eerder bereiken dan de andere kant. Dit resulteert in enige fase-annulering bij hoge frequenties en dus in een zekere mate van verlies van high-end. Daarom worden precisiemeetmicrofoons vaak uitgerust met capsules met een zeer kleine diameter. Dit leidt tot een ander probleem, omdat de kleinere hoeveelheid geluidsenergie die door een klein membraan wordt opgevangen, meer versterking vereist, wat op zijn beurt leidt tot een hoger niveau van elektrische ruis. Daarom is dit soort microfoon ongeschikt voor de meeste muziektoepassingen.
Een ander voordeel dat inherent is aan het ontwerp van drukgevoelige microfoons is een goed uitgebreide frequentierespons aan de onderkant – meestal een octaaf meer dan bij een cardioïde microfoon van vergelijkbare grootte. Ze zijn ook minder gevoelig voor het oppikken van ruis en gerommel van mechanische trillingen dan cardioïde microfoons.
Een achtkantsmicrofoon gebruikt een membraan dat aan beide kanten openstaat voor de lucht, dus in plaats van direct op druk te reageren, reageert hij op het verschil (of gradiënt) in druk tussen de voorkant en de achterkant van het membraan – vandaar de algemene term ‘drukgradiënt’-microfoon (soms ook een ‘snelheids’-microfoon genoemd, omdat hij de snelheid van geluidsgolven detecteert). Deze opstelling van het diafragma maakt de microfoon zeer gevoelig voor geluiden die van voren of van achteren komen, terwijl geluiden die van opzij komen helemaal geen beweging van het diafragma veroorzaken, omdat de druk aan weerszijden van het diafragma altijd gelijk blijft. Het praktische resultaat is een microfoon die in wezen “doof” is 90 graden buiten de as, maar even gevoelig is voor zowel de voorkant als de achterkant. Geluid dat door de achterkant van het membraan wordt opgepikt, produceert ook een omgekeerd elektrisch signaal vergeleken met hetzelfde geluid dat door de voorkant van het membraan wordt opgepikt (dit is vrij logisch als je erover nadenkt, aangezien de twee scenario’s ertoe leiden dat het membraan in tegengestelde richtingen wordt geduwd).
De frequentierespons van on-axis geluiden is redelijk consistent binnen de beperkingen die door de grootte van het membraan worden gesteld. Met andere woorden, hoe kleiner het diafragma, hoe groter de nauwkeurigheid bij het opvangen van off-axis geluiden. Een kritisch aspect van het ontwerp van een drukgradiëntmicrofoon is dat het uitgangsniveau daalt met afnemende frequentie. Dit komt doordat het drukverschil over het diafragma kleiner wordt naarmate de golflengte van de geluidsgolf toeneemt. Om dit probleem te ondervangen wordt de ophanging van het diafragma gewoonlijk zo geregeld dat het gemakkelijker reageert op laagfrequente geluiden dan op hoogfrequente geluiden, hetgeen resulteert in een gelijkmatiger frequentierespons. Een neveneffect hiervan is dat de microfoon veel gevoeliger wordt voor mechanische trillingen.
Bijheidseffect
Een andere belangrijke factor om rekening mee te houden is dat alle druk-gradiënt microfoons, in verschillende mate, een ‘nabijheidseffect’ vertonen – een lage-frequentie versterking die optreedt wanneer de microfoon heel dicht bij de geluidsbron wordt gebruikt (vandaar de andere veelgebruikte term, ‘bass tip-up’). Dit effect is het gevolg van de fysische werking van de microfoon en is een behoorlijk ingewikkeld onderwerp, maar in de praktijk kan het voor opnamen zowel een sterk als een zwak punt zijn – het hangt ervan af wat je wilt bereiken.
Als je drukgestuurde en drukgradiëntcapsules in één microfoon zou combineren, of één capsule zo zou rangschikken dat hij de eigenschappen van beide heeft, zou het resultaat een cardioïde vorm zijn. Op de as, aan de voorkant, zijn de omni en achtpolige patronen die door de twee fundamentele microfoonelementen worden geproduceerd samengevoegd om de combinatie zeer gevoelig te maken. Aan de zijkanten heeft het achtpunt element niets toe te voegen, waardoor alleen de omni pickup overblijft. Bijgevolg zijn de zijkanten van de cardioïde minder gevoelig dan de voorkant. Aan de achterzijde heeft het achtenkruis dezelfde gevoeligheid als de omni, maar de elektrische output is in tegengestelde polariteit, zodat de twee opheffen, waardoor de microfoon extreem ongevoelig is voor geluiden die direct van achteren komen. Een plot van de gevoeligheid van de microfoon onder verschillende hoeken is ruwweg hartvormig, vandaar het cardioïde label, hoewel het in werkelijkheid meer lijkt op een verticale dwarsdoorsnede door een appel, met het steeltje als de achterkant van het patroon.
Het cardioïde of unidirectionele patroon wordt veel gebruikt vanwege zijn vermogen om te discrimineren tegen geluiden die van de zijkanten of achterkant van de microfoon komen. Echter, als je beter kijkt naar hoe een cardioide microfoon zich gedraagt, wordt al snel duidelijk dat het niet de one-size-fits-all oplossing is die het op het eerste gezicht lijkt te zijn.
Hoewel de allereerste cardioide microfoons twee aparte capsules gebruikten, is de meerderheid van de cardioide microfoons tegenwoordig gebouwd met een enkele capsule, waar een sonisch labyrint achter het diafragma wordt gebruikt om de fase van geluiden die de achterkant van de capsule bereiken zo te manipuleren dat het gewenste cardioide patroon wordt geproduceerd. In het algemeen werkt dit systeem zeer goed en vormt het de kern van de meeste dynamische handmicrofoons voor op het podium, evenals veel condensatormodellen voor studio’s, maar het zwakke punt is dat het cardioïde opnamepatroon niet bij alle frequenties hetzelfde is, dus terwijl de microfoon zeer nauwkeurige resultaten kan produceren in situaties waar het invallende geluid recht op de as staat, zullen geluiden buiten de as in feite worden gefilterd door de richtingskarakteristieken van de microfoon, meestal gekenmerkt door een daling van de gevoeligheid bij hoge frequenties. Probeer maar eens in de zijkant van een cardioïde microfoon te praten, en je zult snel horen hoe gekleurd de off-axis opname kan zijn.
In de echte wereld komt geluid zelden alleen on-axis aan, aangezien de meeste omgevingen een aanzienlijke hoeveelheid gereflecteerd geluid produceren, en dit kan vanuit vrijwel elke hoek bij de microfoon aankomen. Het praktische resultaat hiervan is dat het (overigens nauwkeurige) on-axis geluid wordt gemengd met aanzienlijk gekleurd gereflecteerd geluid en in onbehandelde kamers kan dit leiden tot een merkbaar nasaal of boxachtig kenmerk. Ook moet worden opgemerkt dat cardioïdemicrofoons worden geclassificeerd als drukgradiëntmicrofoons (omdat de achterkant van het membraan niet is afgesloten), zodat ze, net als de “figure-of-eight”, ook het nabijheidseffect vertonen – wat kan resulteren in een aanzienlijke toename van de lage tonen wanneer ze zeer dicht bij instrumenten of vocalisten worden gebruikt.
Door de mix van drukgestuurde (omni) en drukgradiënt (figure-of-eight) elementen te variëren, kunnen we bredere of smallere cardioïde patronen produceren en, nogmaals, deze varianten kunnen worden gerepliceerd met een enkel-diafragma capsule door het akoestische labyrint achter het diafragma aan te passen. Microfoons met een smal patroon, zoals supercardioïde en hypercardioïde, vertonen een kleine gevoeligheidslob aan de achterzijde, waar de grotere drukgradiëntcomponent zijn sporen begint achter te laten in de vorm van een kleine tegengestelde-polaire staart aan de achterzijde. Het resultaat is dat de minst gevoelige assen van dit soort microfoons zich meestal tussen 35 en 45 graden van de achterste as bevinden, in plaats van direct erachter. Dit wordt kritisch bij het plaatsen van foldback monitors voor bijvoorbeeld een podiumzanger, en heeft ook invloed op hoe je de mic in een studio moet plaatsen om ongewenste spill tegen te gaan. In het algemeen is het minstens zo belangrijk waar je de ‘dode as’ van de microfoon op richt als waar je hem op richt, en vaak zelfs nog belangrijker!
Omdat deze microfoons een smaller pickup patroon hebben dan een gewone cardioïde, zijn ze gevoeliger voor positieveranderingen in de geluidsbron, dus is het belangrijk om beweging te minimaliseren als je dicht bij ze werkt. Fysieke absorbers achter de microfoon kunnen helpen om het geluidsniveau dat die gevoelige achterste lob bereikt te verminderen, dus in situaties waar een goede afscheiding van het grootste belang is, is het voorzichtig gebruik van smalle cardioide microfoons een goede optie.
Theorie in de praktijk
Hoe helpt dit zeer elementaire overzicht van microfoonpatronen en hun kenmerken ons bij het daadwerkelijk maken van onze opnamen? Terugkomend op onze oude vriend de cardioïde, weten we nu dat we rekening moeten houden met een onnauwkeurige off-axis frequentierespons en, als hij heel dicht bij een geluidsbron wordt gebruikt, met de versterking van de lage tonen in de buurt. De directionele kwaliteiten helpen om instrumenten gescheiden te houden in de opname en helpen ook om de hoeveelheid gereflecteerd geluid dat de microfoon bereikt te minimaliseren, maar je kunt er zeker van zijn dat elk gemorst of gereflecteerd geluid dat de achterkant en zijkanten van de microfoon bereikt aanzienlijk gekleurd zal zijn in vergelijking met een omni microfoon die in dezelfde situatie wordt gebruikt. Een omni zal natuurlijk meer geluid uit de ruimte opvangen, maar met veel minder kleuring dan een cardioide.
Met deze kennis kunt u proberen uw opnameopstelling zo in te richten dat de hoeveelheid off-axis geluid dat de microfoon bereikt tot een minimum wordt beperkt. Een manier om dit te doen is met geluidsabsorbers, zoals zware, opgevouwen dekens, dekbedden, of panelen van akoestisch schuim. Als u bijvoorbeeld zang opneemt, moet u iets achter het hoofd van de zanger hebben dat het geluid onderschept en absorbeert dat anders tegen de muur direct achter hem zou kunnen weerkaatsen en in de voor- en zijkanten van het cardioïde patroon terecht zou kunnen komen. Het helpt ook om absorbers rond de achterkant en zijkanten van de microfoon te hebben, en niet te vergeten het plafond boven de microfoon en de zanger. Geïmproviseerde afscherming kan heel effectief zijn, maar commerciële oplossingen zoals het SE Reflexion Filter zijn wat netter en minder opdringerig als het gaat om afscherming van de microfoon zelf, maar de reflecterende oppervlakken achter de zanger moeten ook worden behandeld om optimale resultaten te bereiken.
Het gebruik van effectieve absorbers zal de kwaliteit van opnamen die zijn gemaakt met een microfoon met cardioïde patroon in een sterk reflecterende ruimte aanzienlijk verbeteren, maar weinig cardioïde microfoons klinken zo natuurlijk als een goed omni model, simpelweg vanwege de manier waarop het akoestische labyrint achter het diafragma de zuiverheid van het geluid beïnvloedt.
Excessief nabijheidseffect is het meest problematisch bij het opnemen van vocalen, maar dit is eenvoudig op te lossen door een pop shield zo te plaatsen dat de zanger niet dichter dan een paar centimeter bij de microfoon kan komen. Het besluitvormingsproces houdt hier in dat je de consequenties moet afwegen van het gebruik van een omni microfoon en meer spill, of het kiezen van een cardioïde microfoon, waarbij de hoeveelheid spill wordt verminderd, maar de spill die overblijft meer gekleurd zal klinken – in feite kan het basisgeluid ook minder natuurlijk zijn. In veel gevallen krijg je zelfs merkbaar beter klinkende resultaten door een microfoon met omni-patroon te gebruiken en vervolgens akoestische schermen te plaatsen om de hoeveelheid mors in de achterkant en zijkanten van de microfoon te verminderen.
In mijn eigen studio greep ik altijd naar een cardioïde microfoon als ik akoestische gitaar opnam, maar nu kies ik vaak voor een omni-microfoon in combinatie met een Reflexion filter. Niet alleen klinkt het resultaat natuurlijker, maar de precieze positionering van de microfoon lijkt ook minder kritisch dan wanneer ik een cardioïde model gebruik. Natuurlijk gaan we niet altijd voor een natuurlijk geluid – vooral in popmuziek, waar een muzikaal aangenaam resultaat van groter belang is dan absolute getrouwheid. Daarom zijn cardioïde microfoons met een groot diafragma (misschien wel de minst nauwkeurige in termen van natuurgetrouwheid) zo populair voor zangopnamen.
Hoewel er niet al te veel fantasie voor nodig is om de voor- en nadelen van cardioïde of omni-microfoons in typische opnamesituaties te onderzoeken, is het minder voor de hand liggend waar het achtpunt in past. Waarom zou je immers een microfoon willen die aan de achterzijde even gevoelig is als aan de voorzijde, anders dan voor gespecialiseerde stereotoepassingen zoals M&S (Mid & Side)? Nou, soms is het omdat de fysieke samenstelling van de microfoon je geen keus laat. Lintmicrofoons, bijvoorbeeld, hebben een natuurlijk “figure-of-eight” polair patroon en in de jaren 50 en 60 waren ze populair bij live bands, omdat ze twee achtergrondzangers in staat stelden om in tegenovergestelde kanten van dezelfde microfoon te zingen. In de studio kiezen we tegenwoordig voor ribbon-microfoons vanwege hun tonaliteit.
Een van de belangrijkste redenen om een “figure-of-eight”-microfoon te kiezen is echter niet zozeer waar hij iets oppikt, als wel waar hij dat niet doet. Vergeet niet dat een achtvormige microfoon volledig doof is voor geluiden die vanuit een hoek van 90 graden buiten de as komen. Dit betekent dat als je twee geluidsbronnen dicht bij elkaar hebt, je vaak de scheiding tussen die twee aanzienlijk kunt verbeteren door een paar achtpuntmicrofoons zo te rangschikken dat de ‘dove as’ van elke microfoon naar de geluidsbron wijst die je probeert te negeren. Vaak kan de achtergevoeligheid van de microfoon worden tegengegaan door gebruik te maken van akoestische afscherming. Deze techniek kan zeer succesvol zijn bij het opnemen van een akoestische gitarist die ook zingt, omdat het helpt om de gitaar en de stem te scheiden, hoewel de scheiding nooit perfect zal zijn om twee redenen: de geluiden komen niet uit één punt en de reflecties in de ruimte kunnen de microfoons vanuit veel verschillende hoeken bereiken.
Multipatroon microfoons werken door het combineren van de outputs van twee capsules, de meest populaire opstelling is twee back-to-back cardioïde capsules. Door het niveau en de polariteit van de uitgangen van de twee capsules te regelen, kan elk van de basispolaire patronen worden gecreëerd. Wanneer echter de zuiverheid van het geluid belangrijk is – zoals bij kritische opnamen van klassieke of etnische instrumenten – zal het kiezen van een speciale omni of achtcapsule enkel-diafragma microfoon (idealiter met een klein diafragma) waarschijnlijk nauwkeurigere resultaten opleveren, met minder kleuring van het geluid buiten de as.
Wanneer het aankomt op cardioïde-patroon microfoons, maakt het weinig verschil of u een model met één capsule gebruikt of een model met twee capsules, met meerdere patronen. Beide presteren op dezelfde manier, omdat ze beide gebaseerd zijn op cardioïde capsules. In theorie zouden de kleinere diafragmavarianten nauwkeuriger resultaten moeten opleveren voor off-axis geluiden, maar de voordelen kunnen worden overschaduwd door de kleuring die wordt veroorzaakt door het akoestische labyrint dat is gebruikt om het polaire patroon te creëren.
Een laatste woord…
Ik heb dit overzicht met opzet zo eenvoudig mogelijk gehouden, om een paar belangrijke concepten over te brengen. Het belangrijkste is misschien wel dat, hoewel de groot-diafragma, cardioïde patroon microfoon de steunpilaar van project studio-opnamen kan zijn, er situaties zijn waarin het niet de beste keuze is. Ik hoop dat ik ook voldoende heb benadrukt hoe belangrijk de opname-omgeving is, omdat het bepalen van wat de microfoon bereikt – vooral door reflectie – een enorm verschil kan maken voor het eindresultaat.