PORADNIK: Mikrofon i preamp - Trudne partnerstwo

Współpraca mikrofonu z przedwzmacniaczem lub jego odpowiednikiem w interfejsie audio bywa niekiedy trudna. I to wcale nie jest tak, że każdy mikrofon może współpracować z każdym przedwzmacniaczem. Zadaniem mikrofonu jest przetwarzanie zmian ciśnienia dźwięku na prąd przemienny. Owa konwersja powinna być proporcjonalna liniowo w każdym aspekcie – poziomu, częstotliwości i fazy – ale praktycznie nigdy tak nie jest.

Spis treści:

• Drgania i napięcia 
• Jak dobrać mikrofon do preampu, a może preamp do mikrofonu?
• Preamp w interfejsie audio
• Sprzęt "marketingowy"
• Jak ustawić przedwzmacniacz mikrofonowy?

Czytaj więcej o preampach:

• Poradnik: Po co komu przedwzmacniacz do studia? - cz. I
• Poradnik: Przedwzmacniacze mikrofonowe do 1000 zł - cz. II
• Poradnik: Przedwzmacniacze mikrofonowe - cz. III

Drgania i napięcia

Niemal zawsze mamy do czynienia z jakimś elementem drgającym (membraną), która ruchem reaguje na dźwięk. Wiele zatem będzie zależeć od właściwości tej membrany oraz właściwości i cech wszystkich elementów mechanicznych i elektrycznych, z którymi współpracuje.

W mikrofonie dynamicznym będzie to poruszająca się w polu magnetycznym cewka, sprężystość zawieszenia membrany, wpływająca na charakterystykę kierunkową mikrofonu różnica ciśnień po obu jej stronach i szereg innych elementów. „Łatwiej” mają mikrofony pojemnościowe oraz wstęgowe, w których membrana/wstęga nie są w sposób mechaniczny niczym obciążone. W mikrofonach pojemnościowych membrana jest bardzo lekka i naprężona, zatem można ją pobudzić do drgań już bardzo małymi zmianami ciśnienia dźwięku. Jednak konstrukcja całej kapsuły, będącej w istocie kondensatorem o zmiennej pojemności wymaga odpowiedniego ekranowania oraz współpracy z układem elektronicznym konwertującym zmiany pojemności na zmiany napięcia.

Z kolei w mikrofonach wstęgowych element drgający ma bardzo niską częstotliwość rezonansową i znacznie większą wagę, w porównaniu z membraną kapsuły pojemnościowej. W efekcie trudniej jest go wprawić w drgania, a ich zakres w miarę wzrostu częstotliwości staje się mniejszy. Dlatego mikrofon wstęgowy wytwarza bardzo mały sygnał w dość wąskim zakresie częstotliwości. Jest on tak mały, że bez pomocy odpowiedniego transformatora instalowanego od razu w samym mikrofonie były praktycznie bezużyteczny.

Jak dobrać mikrofon do preampu, a może preamp do mikrofonu?

Z uwagi na różnorodność konstrukcji mikrofonów oraz ich właściwości mamy do czynienia z dużą rozpiętością parametrów i bardzo trudno jest znaleźć taki przedwzmacniacz, który będzie bezproblemowo współpracował z każdym mikrofonem, jaki zostanie do niego podłączony. A obecność przedwzmacniacza jest niezbędna, bo sygnał pochodzący nawet z najbardziej czułego mikrofonu, oferującego wysoki poziom napięcia wyjściowego i tak jest zbyt mały, by mógł być dla nas w jakikolwiek sposób użyteczny.

Odpowiednie dopasowanie takich wartości jak czułość (mikrofonu i przedwzmacniacza), maksymalny poziom sygnału oraz impedancja będzie zatem kluczem do uzyskania optymalnych efektów sonicznych. W naszej codziennej praktyce wszystko sprowadza się do określeń, że jakiś mikrofon z jakimś przedwzmacniaczem „brzmi” albo „nie brzmi”. I choć wiele osób przypisuje owo „brzmienie/nie-brzmienie” marce, cenie, stopniowi kultowości czy krajowi produkcji mikrofonu/przedwzmacniacza, to w rzeczywistości jest ono pochodną czynników o charakterze czysto technicznym.

Mikrofony dynamiczne, takie jak np. Shure SM57 i SM58 zostały stworzone w taki sposób, by mogły pracować z bardzo wysokim ciśnieniem dźwięku bez zniekształceń sygnału. Jest to jednak związane z faktem, że ich czułość jest relatywnie niska. Według specyfikacji SM57 jest to 1,6 mV/Pa. Przyjmuje się, że 1 paskal odpowiada ciśnieniu dźwięku wynoszącemu 94 dB SPL. Jest to z grubsza taki poziom ciśnienia dźwięku, jakie pojawia się w odległości ok. 3 cm od ust normalnie mówiącego lektora.

Zamieńmy wartość napięcia na decybele, abyśmy mogli prześledzić to, co będzie się działo w całym torze sygnałowym. 1,6 mV to -56 dBV (przy założeniu, że 0 dBV=1 V). By wzmocnić sygnał z mikrofonu SM57 do użytecznego poziomu 0 dBV będziemy potrzebowali przedwzmacniacza, który potrafi zwiększyć sygnał o 56 dB.

Co z interfejsami audio?

Wiele przedwzmacniaczy w interfejsach audio, dedykowanych urządzeniach czy mikserach ma gałkę Gain wyskalowaną w decybelach prezentujących wartość wzmocnienia. Dla przykładu, regulator czułości w interfejsie Universal Audio Apollo Twin umożliwia ustawienie wzmocnienia od 10 do 65 dB. Ale już taki sam regulator w interfejsie MOTU Track 16 wyskalowany jest od 0 do 53 (co określa zakres zmian, ale nie odpowiada faktycznemu wzmocnieniu), a w szeregu innych interfejsów audio w ogóle nie ma żadnej skali!

Załóżmy zatem, że do różnych przedwzmacniaczy/interfejsów z gałką Gain ustawioną np. w połowie zakresu regulacji, podłączamy ten sam mikrofon. Na ścieżce DAW lub w głośnikach sygnał będzie cichszy lub głośniejszy. I to pomimo użycia tego samego mikrofonu i ustawienia Gain w tej samej pozycji. Czy to świadczy o „lepszości” lub „gorszości” przedwzmacniacza? W żadnym wypadku! Oznacza jedynie to, że gałki czułości mają inaczej rozłożoną regulację – minimalne i maksymalne wzmocnienie, różny zakres zmian i różną charakterystykę, z jaką się dokonują.

Wszystko zaczyna się w dziale marketingowym... 

Regulacja czułości w przedwzmacniaczu to bardzo złożony temat, ściśle związany z konstrukcją samego przedwzmacniacza i przyjętymi założeniami technicznymi. I o ile w starszych konstrukcjach priorytetem była czytelność ustawień, ich powtarzalność i dostosowanie do tworzonych wówczas standardów (stąd regulatory w formie przełączników), o tyle w nowszych rzeczy wyglądają nieco inaczej.

Być może zabrzmi to dziwnie, ale projektowanie nowoczesnych przedwzmacniaczy, mikserów, interfejsów oraz wielu innych urządzeń zaczyna się... w dziale marketingu od wyznaczenia ceny detalicznej, wskazania niszy produktowej, którą chce się zapełnić i wyboru docelowej grupy konsumentów. Dopiero potem ruszają prace projektowe, których efekty muszą się zmieścić w zakreślonych granicach.

Dobra informacja jest taka, że większość współczesnych przedwzmacniaczy w dowolnej formie z zapasem spełnia minimalne wymagania, jakimi są co najmniej 50 dB wzmocnienia i poziom szumów własnych poniżej -90 dBu. Jednak z impedancją wejściową (niezwykle istotną w kontekście dopasowania mikrofon-przedwzmacniacz) oraz liniowością zakresu regulacji czułości bywa już bardzo różnie.

Jak ustawić przedwzmacniacz?

Od strony praktycznej istotne jest to, aby nie zmuszać przedwzmacniacza do pracy w warunkach skrajnych. Przy współpracy z mikrofonem bardzo rzadko będziemy mieli do czynienia z sytuacją, że sygnał wejściowy trzeba będzie tłumić. Może się to zdarzyć w przypadku mikrofonu umieszczonego wewnątrz dużego bębna, przy werblu i tomach, blisko głośno grających wzmacniaczy gitarowych, instrumentów dętych czy w przypadku bardzo głośno śpiewających wokalistów/wokalistek. W takich sytuacjach dobrze jest mieć przedwzmacniacz wyposażony w załączany tłumik (Pad) 10 lub 20 dB. W każdym innym przypadku sygnał trzeba będzie wzmocnić.

Jeśli ustawienie czułości musi zdecydowanie przekroczyć 3/4 zakresu regulacji Gain, to wchodzimy w dość niebezpieczną strefę, gdzie rośnie poziom szumów własnych przedwzmacniacza i zwiększa się prawdopodobieństwo zniekształceń. Po przekroczeniu tego poziomu wiele przedwzmacniaczy ma tendencję do wykładniczego wzrostu poziomu wzmocnienia/szumów, a minimalna zmiana pozycji gałki Gain objawia się skokową zmianą poziomu sygnału.

Zdarza się, że niektóre interfejsy audio sprawują się w tej sytuacji całkiem poprawnie, ale nie jest ona komfortowa. Najbardziej optymalne jest ustawienie Gain na godzinę trzecią, a wręcz idealnie, gdy jest to godzina dwunasta. To wniosek poparty wieloma latami obserwacji tego, co dzieje się na rynku przedwzmacniaczy oraz interfejsów. Takie ustawienie wskazuje bowiem na optymalny dobór zakresu wzmocnienia, jego poziomów minimalnego i maksymalnego oraz charakterystyki manipulatora odpowiedzialnego za czułość (fizycznego bądź sterowanego cyfrowo).

I jeśli przy regulatorze Gain ustawionym między godziną dwunastą a trzecią mamy optymalny poziom i brzmienie sygnału, to można uznać, że uzyskaliśmy poprawne dopasowanie mikrofon-przedwzmacniacz. W niektórych przypadkach (np. interfejsów Audient) być może trzeba będzie zwiększyć czułość do pozycji na godzinie czwartej, ale dopóki nie odnotujemy wyraźnego wzrostu poziomu szumów, rzecz w dalszym ciągu pozostaje pod kontrolą.

Być może dlatego klasyczne przedwzmacniacze typu Neve 1073 czy API 212 wciąż cieszą się znakomitą opinią i są wielce pożądanym sprzętem w każdej postaci, bo wszystko co jest związane z regulacją czułości i współpracą z mikrofonami jest w nich proste i oczywiste. Ale należą one do grupy tych produktów, których projektowanie nie zaczęło się w dziale marketingu...

Ze wszystkich mikrofonów to konstrukcje pojemnościowe mają najlżejszą, najbardziej czułą membranę, ale wymagają zastosowania dość kosztownej elektroniki oraz efektywnego ekranowania.

W klasycznych mikrofonach wstęgowych element drgający w polu magnetycznym wytwarza zbyt małe napięcie, by można było je wykorzystać, dlatego zawsze musi współpracować z transformatorem o przekładni zwiększającej.

W niektórych przedwzmacniaczach regulatory czułości Gain są wyskalowane, choć niekiedy mało precyzyjnie, w decybelach określających poziom wzmocnienia.

Sporo interfejsów audio, w tym także wyższej klasy, nie ma w ogóle żadnej skali dla regulacji Gain. Czułość ustawiamy zatem na słuch i za pomocą wskaźników optycznych – w interfejsie oraz programie DAW.

W klasycznych przedwzmacniaczach takich jak Neve czy API, do precyzji w zakresie regulacji czułości przywiązuje się szczególną wagę. Stąd adekwatne wyskalowanie i skokowa regulacja za pośrednictwem obrotowego przełącznika.