Marco Simoncini Tecnologie e tecniche della ripresa e della registrazione audio Corso 1 – 25 ore Unità didattica 6 – I microfoni Materiale rilasciato sotto licenza Creative Commons – Attribuzione/Non Commerciale/Condividi allo stesso modo Si autorizza, in deroga al secondo punto, l’utilizzo per l’insegnamento 1

Principio di funzionamento I microfoni fanno parte della “famiglia” dei trasduttori, ovvero dei dispositivi che convertono una forma di energia in un’altra forma di energia. La particolare categoria dei microfoni sostanzialmente converte l’energia meccanica (del suono nel mezzo) in energia elettrica. A seconda del tipo di progettazione e del tipo di funzionamento, i microfoni si suddividono in vari tipi, ma la prima suddivisione che possiamo fare è tra microfoni alimentati e microfoni non alimentati. Sul piano pratico, infatti, la prima cosa da sapere di un microfono è se questo deve essere alimentato (tipicamente con l’alimentazione phantom a 12 o 48 V) o no. 2 2

Microfoni alimentati I microfoni possono essere di vari tipi ma alcuni richiedono, per funzionare, un’alimentazione elettrica. Altri generano essi stessi una piccola energia elettrica, che è quella che trasporta il segnale L’alimentazione di un microfono può correre lungo lo stesso cavo che porterà il segnale, ma “viaggia” in direzione opposta. Se ad esempio il cavo del microfono porta il segnale verso un mixer, o una scheda audio, l’alimentazione scorre dal mixer (o scheda audio) verso il microfono Altri microfoni sono dotati di una batteria, interna o esterna, e traggono la propria alimentazione da quella. Un esempio tipico di batteria esterna è quella dei radiomicrofoni, nei quali l’alimentazione serve anche a fornire energia alla parte radio dell’apparato 3 3

Alimentazione phantom Le caratteristiche principali dell’alimentazione phantom sono due: la tensione è mantenuta a un livello sicuramente non pericoloso (12 V o 48 V) L’energia elettrica corre sullo stesso filo su cui viaggia il segnale audio Come si può immaginare, i microfoni che richiedono l’alimentazione non possono funzionare se il dispositivo cui sono collegati (es. mixer, scheda audio, ecc.) non fornisce tale alimentazione Invece, a certe condizioni, i microfoni non alimentati possono funzionare anche con l’alimentazione phantom inserita (se per un qualche diabolico motivo non fosse possibile disattivarla) 4 4

Alimentazione phantom 2 1 Come accennato, l’energia elettrica dell’alimentazione phantom viaggia sullo stesso cavo del segnale audio Il cavo audio stesso ha una struttura ben precisa a tre conduttori, tipicamente con connettori detti XLR Il contatto 1 è il contatto di massa, mentre il 2 e il 3 sono ambedue contatti di segnale 3 Connettori XLR (Omegatron per Wikipedia) 5 5

Breve digressione sui connettori XLR 2 1 I connettori XLR vengono detti anche Cannon, ed esistono con numerose piedinature A noi interessano i connettori a tre poli e, per alcune applicazioni non microfoniche (almeno al giorno d’oggi) quelli a cinque poli I due piedini di segnale portano, rispettivamente, il segnale “caldo” (piedino 2) e il segnale “freddo” (piedino 3) 3 Connettori XLR (Omegatron per Wikipedia) 6 6

Breve digressione sui connettori XLR I connettori XLR vengono usati perché consentono, in particolare con cavi molto lunghi, di eliminare, o almeno ridurre molto, le interferenze esterne sul segnale audio. Se ne parlerà più approfonditamente. Per ora basti sapere che i connettori XLR consentono connessioni bilanciate, ovvero in cui due piedini (2 e 3) portano il segnale (come vedremo, con fase opposta) e il piedino 1 porta la massa Con i connettori XLR è possibile però creare anche connessioni sbilanciate, come quelle che si ottengono con dei normali jack, collegando tra di loro il piedino 1 di massa e il piedino del segnale freddo (normalmente il 3) 7 7

Breve digressione sui connettori XLR Delle conseguenze sul segnale audio nei due casi parleremo più oltre. Le conseguenze elettriche sono però le seguenti: se la connessione è bilanciata, è possibile connettere senza pericoli anche microfoni che non richiedono alimentazione; se la connessione è sbilanciata, ovvero i piedini 1 e 3 sono collegati tra di loro, connettendo microfoni non alimentati li si può danneggiare Questo perché se la linea è bilanciata, la tensione phantom non raggiunge il microfono di tipo che non richiede alimentazione I connettori XLR sono praticamente lo standard per la connessione dei microfoni, che generano tipicamente livelli di segnale molto ridotti e sono quindi più sensibili ad attenuazioni e interferenze 8 8

Alimentazione phantom L’alimentazione phantom, quindi, corre sugli stessi cavi del segnale ma non va a interferire con questo. È, per così dire, invisibile al segnale, come un fantasma Questo tipo di alimentazione può essere utilizzato anche per apparati diversi da microfoni (es. alcuni tipi di effetti) Ovviamente, per utilizzare microfoni alimentati, bisogna che l’apparato cui si connette il microfono (DI-box, mixer, interfaccia audio) sia in grado di erogare l’alimentazione phantom 9 9

Microfoni alimentati Tornando a quanto detto in principio, ricordiamo che i microfoni sono trasduttori che convertono l’energia meccanica in energia elettrica A seconda del principio di funzionamento, alcuni microfoni, per così dire generano energia elettrica, mentre altri modificano dell’energia che viene loro fornita da un’apposita alimentazione Le due famiglie più comuni di microfoni sono appunto i microfoni dinamici, che non hanno bisogno di alimentazione in quanto sono costruiti in modo da generare la corrente di segnale, e i microfoni a condensatore, che hanno bisogno di un’alimentazione da “modulare” In realtà esistono molte varianti delle due famiglie, ma ciò che ci importa è il diverso principio di funzionamento 10 10

Microfoni dinamici I microfoni dinamici sono tipicamente più robusti e forniscono segnali più elevati rispetto ai microfoni a condensatore. Per questi e altri motivi, le applicazioni sono tipicamente il palco per i microfoni dinamici e lo studio per i microfoni a condensatore Ovviamente non si tratta di situazioni obbligate, ma portare in una situazione di performance dei microfoni a condensatore, ad esempio, più fragili e spesso più costosi, può essere un rischio. Inoltre esiste, appunto, l’esigenza dell’alimentazione phantom I microfoni dinamici funzionano su un principio fisico secondo il quale, muovendo un conduttore all’interno di un flusso magnetico, nel conduttore stesso si genera una tensione 11 11

Microfoni dinamici È il principio di funzionamento su cui si basano, a parti invertite, gli altoparlanti, ma su cui si basano anche dispositivi lontanissimi dall’audio come gli alternatori che generano energia elettrica per le nostre auto o addirittura per le nostre case Si tratta del principio dell’induzione. Ogniqualvolta il flusso magnetico che attraversa un conduttore varia nel tempo, nel conduttore si genera una tensione (o più correttamente una forza elettromotrice) Le tre grandezze fisiche f.e.m., flusso e tempo (che rappresenta il movimento) sono legate dalla relazione e = dΦ/dt 12 12

Microfoni dinamici Nei microfoni dinamici, un conduttore avvolto a spira si muove nel flusso magnetico generato da un magnete permanente La variazione del flusso che investe il conduttore, dovuta proprio al movimento, genera una tensione variabile nelle spire del conduttore stesso È il principio opposto a quello dell’altoparlante, in cui la tensione che attraversa il conduttore fa sì che questo venga attratto o respinto dal magnete permanente, e il conduttore stesso, quindi, si muova, generando una vibrazione sonora nell’aria circostante 13 13

Microfoni dinamici 14 14

Microfoni dinamici La parentela tra microfoni dinamici e altoparlanti è molto stretta: tanto è vero che è possibile, magari con risultati non proprio eccellenti, usare un altoparlante come microfono dinamico Come detto, i microfoni dinamici sono più robusti dei microfoni a condensatore, forse fatta eccezione per i fragili e costosi (ma di migliore qualità e più sensibili) microfoni a nastro. Si tratta sempre di microfoni dinamici, in cui la bobina mobile è però sostituita da un nastro molto sottile e spesso piegato “a fisarmonica” Proprio il nastro è il “punto debole” del microfono in quanto, per essere il più sensibile possibile, il nastro deve essere molto sottile e leggero: e di conseguenza molto fragile 15 15

Microfoni dinamici I microfoni a nastro generano tensioni molto ridotte; per tale motivo spesso sono dotati di un preamplificatore interno, a volte a valvola termoionica In questo caso, il microfono, pur essendo dinamico, ha comunque bisogno di alimentazione, sia a batteria, sia proveniente dall’esterno 16 16

Microfoni a condensatore Tornando a quanto visto, durante la prima lezione, sui condensatori, possiamo comprendere il principio di funzionamento del microfono a condensatore e perché tale microfono abbia bisogno di essere alimentato Nella sua forma più schematica, possiamo pensare il microfono a condensatore come composto da due lamine, che fungono da armature del condensatore: una lamina fissa e una lamina mobile, che viene spostata dalla variazione di pressione sonora di chi, ad esempio, canta Attraverso il condensatore costituito dalle predette lamine e dall’aria tra di loro che funge da dielettrico, si fa passare una corrente elettrica 17 17

Principio di funzionamento di un condensatore Immaginiamo due piastre metalliche poste l’una di fronte all’altra e collegate, ciascuna, a uno dei poli di un generatore di alimentazione Naturalmente, non essendo le due piastre connesse tra di loro, non si ha passaggio di corrente. L’energia fornita, però, tende ad accumularsi su una delle due piastre, in “attesa” di passare sull’altra 18 18

Principio di funzionamento di un condensatore Il materiale tra le due piastre si chiama “dielettrico” e caratterizza fortemente il comportamento elettrico del condensatore Le cariche accumulate creano un campo elettrostatico nel dielettrico Se qualcosa nelle caratteristiche fisiche del condensatore “cambia”, cambia anche la situazione del campo elettrostatico Di Papa November - self-made SVG version of Image:Dielectric.png, incorporating Image:Capacitor schematic.svg as its base., CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=4030086 19 19

Microfoni a condensatore Nel microfono, una delle due piastre è fissa e l’altra viene spostata e deformata dalle vibrazioni sonore La variazione geometrica del campo elettrostatico causa una variazione di tensione tra le due piastre e, di conseguenza, una corrente variabile in base alle variazioni di pressione sonora Di Papa November - self-made SVG version of Image:Dielectric.png, incorporating Image:Capacitor schematic.svg as its base., CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=4030086 20 20

Microfoni a condensatore La corrente elettrica che attraversa il microfono viene “variata” dalla variazione di capacità del condensatore; tale capacità varia, infatti, a seconda che la distanza tra le due lamine aumenti o si riduca La variazione di tensione e corrente in uscita dal microfono rispecchia fedelmente il segnale audio e può quindi essere inviata allo stadio audio successivo (ad es. il mixer) Per avere corrente attraverso le due lamine del microfono, è appunto necessaria l’alimentazione esterna phantom Un variante del microfono condensatore è il microfono a elettrete. Un elettrete è un materiale isolante in cui è imprigionata una carica elettrica. Per tale motivo, un microfono a elettrete non ha bisogno di alimentazione 21 21

Microfoni a condensatore 22 22

Microfoni a condensatore Pro e contro Microfoni dinamici Microfoni a condensatore Minore sensibilità Maggiore sensibilità Minore rumore Maggiore rumore Minore gamma dinamica Maggiore gamma dinamica Maggiore resistenza meccanica Minore resistenza meccanica (più fragili) 23 23

Caratteristiche dei microfoni Sensibilità: la capacità di rilevare suoni anche molto deboli Rumore: quella parte del segnale che “danneggia” la fedeltà al segnale audio originale e che può avere le più svariate cause, elettriche o meccaniche: disturbi, caratteristiche fisiche del microfono, interferenze, ecc. Gamma dinamica: la differenza tra il suono più debole e il suono più forte che il microfono è in grado di captare e restituire fedelmente Gamma di frequenza: la differenza tra la frequenza più bassa e quella più alta che il microfono è in grado di captare e restituire fedelmente 24 24

La figura polare La figura polare rappresenta graficamente la sensibilità di un microfono a seconda della direzione da cui proviene il suono Possiamo immaginare la membrana correre da 90° a 270°. Il suono rilevato al massimo sarà quello proveniente dalla direzione 0° Le figure polari sono tipicamente quelle riportate nella diapositiva seguente 25 25

La figura polare Omnidirezionale Subcardioide Cardioide Supercardioide Ipercardioide Bidirezionale Direzionale Immagini di Galak76 - self-made, Adobe Illustrator, CC BY-SA 3.0 26 26

La figura polare La figura polare aiuta a stabilire il migliore microfono per ogni impiego e il migliore impiego per ogni microfono L’aumento della direzionalità consente di escludere le sorgenti sonore indesiderate ma può togliere “verosimiglianza” al suono Un microfono bidirezionale può ad esempio essere utile durante un’intervista in cui intervistatore e intervistato sono l’uno di fronte all’altro. In questo modo il microfono capterà bene le due voci attenuando i rumori e le altre voci circostanti Microfoni molto direzionali possono essere utilizzati per spiare conversazioni tra ignari interlocutori 27 27

Accessori per i microfoni Il migliore microfono del mondo può dare risultati mediocri se non collocato con attenzione e dotato di cavi e accessori di qualità I microfoni rilevano ogni sollecitazione meccanica, anche quelle indesiderate: urti, colpi con le dita, soffi, consonanti esplosive, schiocchi delle labbra, ecc. Bisogna pertanto assicurarsi che i microfoni vengano protetti il più possibile da sollecitazioni meccaniche indesiderate, per evitare suoni spuri, altrettanto indesiderati Annotazione a margine: i microfoni vanno protetti da urti, goccioline di saliva e altro anche per la salute del microfono stesso: i componenti elettronici sono infatti particolarmente permalosi se sottoposti a scotimenti e sputacchiamenti 28 28

Accessori per i microfoni: le aste Le aste sembrano la cosa meno importante ma non lo sono: proviamo a immaginare di mettere un microfono da cinquemila euro su un’asta da quindici euro, che poi magari si rompe o allenta, facendo cadere il microfono stesso. Ovviamente, una situazione da incubo Le aste sono poi facili vittime di colpi con la punta dei piedi da parte del cantante o oratore. Un asta più pesante rischia meno di abbattersi e/o di trasmettere la pedata al microfono Microfoni e aste sono poi facili prede degli inciampatori nei cavi: un’asta migliore e più stabile rischierà meno di volare via con il microfono originale che vi ha regalato il vostro cantante preferito in persona 29 29

Accessori per i microfoni: i supporti antiurto (shock mount) Per evitare che eventuali urti o sfregamenti sulle aste si trasmettano al microfono, si usano supporti che sorreggono il microfono in sospensione elastica, in modo che il materiale elastico assorba eventuali sollecitazioni prima che queste arrivino al microfono Con tali supporti si evitano anche casi estremi di microfonia spuria, nei quali l’asta o il supporto rigido fa da “membrana” associata e capta suoni, che poi trasmette alla membrana vera 30 30

Accessori per i microfoni: i filtri antivento In alcune situazioni, particolarmente in esterno, può essere utile montare sul microfono un rivestimento in spugna o altro materiale che attenua molto i rumori sibilanti ambientali come, appunto, il vento. Tra i rumori analoghi al vento contempliamo anche le consonanti sibilanti (“s”, “f”, ecc.) che vengono anch’esse attenuate 31 31

Accessori per i microfoni: i filtri antipop Un’altra possibile causa di sporcizia nel segnale sono gli schiocchi e le consonanti esplosive (“p”, “sp”, ecc.). Oltre a danneggiare il suono, però, tali rumori “umani” possono anche causare proiezioni di umidità sulla membrana del microfono, umidità che sicuramente non fa bene alla membrana stessa. Il più artigianale degli antipop è un telaietto con una calza da donna tesa al suo interno. Naturalmente esistono anche prodotti commerciali che ottengono lo stesso risultato senza costringere a saccheggiare il comò della zia Eulalia 32 32

Accessori per i microfoni: i filtri antiriflessione Le riflessioni naturali dell’ambiente in cui si usa il microfono possono dare “verosimiglianza” e “spazio” al suono, ma non sempre sono desiderate. Allo scopo esistono ovviamente camere anecoiche e studi insonorizzati, ma si sono diffusi negli ultimi anni anche filtri antiriflessione che proteggono il microfono da riflessioni del suono sulle superfici immediatamente circostanti. La struttura avvolge e protegge il microfono mediante il materiale spugnoso di cui è rivestita. I filtri descritti, in un certo senso, aumentano la direzionalità del microfono 33 33

Cavi per microfoni I microfoni, ovviamente, per essere collegati agli apparati a valle, necessitano di cavi elettrici Tali cavi sono particolari per costruzione e, anche se dal punto di vista elettrico sarebbe possibile collegare un microfono con una coppia qualsiasi di conduttori, nella realtà ciò causerebbe quasi sicuramente un numero di disturbi e interferenze, tale da rendere inutilizzabile il segnale captato Per proteggere i segnale audio da disturbi e interferenze, si utilizzano particolari cavi in cui i conduttori interni sono avvolti da una calza in fili di rame intrecciati, che scherma i conduttori interni dai disturbi e funge da conduttore di massa 34 34

Cavi per microfoni 35 35

Cavi per microfoni 36 36

Cavi per microfoni L’argomento dei cavi, dei connettori e dell’eliminazione dei disturbi è tutt’altro che banale e richiederebbe una trattazione molto ampia, coinvolgendo tra l’altro diverse scuole di pensiero, diverse situazioni possibili, problemi nel passaggio dalla teoria alla pratica, ecc. A volte l’eliminazione di un ronzio può essere un’autentica impresa anche per il fonico esperto. Per tale motivo ci limitiamo a dividere i cavi, o meglio le connessioni, in due tipi generali: La connessione sbilanciata, tipicamente vede all’estremità del cavo che proviene dal microfono un connettore jack TS (un conduttore più schermo). Verso il microfono, il cavo può penetrare nel microfono stesso (bassa qualità) o connettersi con un connettore XLR La connessione bilanciata, con due connettori XLR, uno verso il microfono e uno verso gli apparati a valle 37 37

Cavi per microfoni – Connessione sbilanciata Terminale “caldo” del segnale La connessione sbilanciata è più economica e diffusa negli impianti non professionali. Può però captare più facilmente disturbi e non è indicata per collegamenti lunghi La connessione sbilanciata non va usata per collegare microfoni non alimentati ad apparati che forniscono alimentazione phantom: è proprio quello il caso in cui i microfoni si possono danneggiare Massa Di Mataresephotos - http://fotosbsb.com.br, CC BY 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=15087741 38 38

Cavi per microfoni – Connessione bilanciata La connessione bilanciata consente l’attenuazione dei disturbi ed è più indicata per applicazioni professionali e collegamenti lunghi. Come detto, si utilizzano connettori XLR o Jack TSR (in cui i due connettori di punta e anello vengono utilizzati per il segnale “normale” e il segnale invertito di fase come i piedini 2 e 3 dell’XLR Connettore “ricevente” e percorso del segnale verso l’interno dell’apparato 39 39

Cavi per microfoni – Connessione bilanciata Nella connessione bilanciata, ai piedini 2 e 3 viene applicato lo stesso segnale, ma invertito di fase su uno dei piedini. Quando si arriva al trasformatore audio, i disturbi e il segnale su uno dei conduttori vengono nuovamente invertiti di fase Il segnale, che era già invertito, per così dire si “raddrizza” e quindi sui due conduttori abbiamo il doppio del segnale “buono” I disturbi erano tutti e due “dritti”, quindi invertendo di fase uno dei due si ha una somma che azzera i disturbi stessi Quindi connessione bilanciata → doppio del segnale, zero disturbi (in teoria) 40 40