Wo der Wind weht: So platzierst Du ein Headset-Mikrofon, um Windgeräusche zu vermeiden

Kurzfassung

Wenn sich ein Mikrofon in der Nähe von Mund und Nase befindet, kann es Wind ausgesetzt sein. Dieser Wind kommt von der Person, die das Mikrofon trägt, wenn sie spricht, atmet, lacht, hustet oder niest. Manche Konsonanten (Plosive und bis zu einem gewissen Grad auch Frikative) verursachen eine beträchtliche Menge an Wind!

Die Menge an Wind variiert von Person zu Person, sowohl in der Richtung als auch in der Stärke. Der Einfluss des Atems (oder besser gesagt, das Verhältnis von Stimme zu Atem) hängt von der Lautstärke ab, davon, ob der Sprecher nervös ist, ob er sich bewegt (Gehen, Tanzen) usw.

Experimente mit einem Mikrofonarray im Gesicht zeigten, dass die am nächsten gelegene getestete Position, die nicht direkt von oralem oder nasalem Wind getroffen wird, ungefähr bündig mit der Unterseite der Nase liegt, etwa 38 mm von der Mittelachse von Nase und Mund entfernt. Wenn Du das Mikrofon in einer Linie mit dem Mund platzieren möchtest, musst Du es weiter zur Seite verschieben, um Wind zu vermeiden, ohne einen Windschutz zu verwenden.

Gute Gründe

Es gibt viele gute Gründe, ein Mikrofon am Kopf einer Person anzubringen. Der wichtigste ist, dass das Mikrofon den Bewegungen des Kopfes folgt, wodurch ein konstanter Abstand zwischen Schallquelle und Empfänger gewährleistet ist. Außerdem ist der Abstand gering. Das sorgt für einen möglichst hohen Schallpegel am Mikrofon. Bei der Verwendung von Richtmikrofonen können wir zudem den Nahbesprechungseffekt nutzen.

Der unmittelbare Nachteil ist, dass der Luftstrom aus dem Mund – durch Plosivlaute wie /p/, Frikativlaute wie /f/ oder beim Atmen – das Mikrofon treffen kann, wenn es zu nah ist. Je nach Windempfindlichkeit des Mikrofons und seinem Windschutz können Windgeräusche am Mikrofon entstehen.

Wie es klingen sollte

Wir wissen, wie die Stimme klingen sollte. Im normalen Gespräch sind wir daran gewöhnt, die Stimme aus einer Entfernung von etwa 1 m (3,3 ft) zu hören. Wir wissen, dass sich das Stimmspektrum verändern kann, wenn wir näher am Mund hören oder aufnehmen [1].

Außerdem können uns die höheren Frequenzen des Sprachsignals entgehen, wenn wir das Mikrofon seitlich vom Kopf weg aus der Achse bewegen. Diese müssen dann entweder durch den Frequenzgang des Mikrofons oder durch Signalverarbeitung ausgeglichen werden.

In 1 m (3,3 ft) Entfernung vom Sprecher hören wir normalerweise keine Mundgeräusche wie Klicken, Schmatzen usw. Diese können jedoch sehr deutlich zu hören sein, wenn man den Ton ganz nah am Mund aufnimmt. Darauf achten wir und versuchen, dies zu vermeiden oder bei Bedarf auszugleichen [2].

Geräuschunterdrückung

In vielen Situationen benötigen wir eine stärkere Unterdrückung von Hintergrundgeräuschen, als es eine nahe (omnidirektionale) Mikrofonposition ermöglicht. Deshalb wenden wir Prinzipien der Geräuschunterdrückung an. Das Grundprinzip besteht darin, ein Druckgradientenmikrofon zu verwenden. Zum einen gewinnen wir dadurch Richtcharakteristik, sodass wir das Mikrofon auf die Schallquelle ausrichten und vom Störgeräusch abschirmen können. Allerdings wirkt die Kopffläche auch als Reflektor, der Schall zurück ins Mikrofon reflektieren kann.

Der größte Vorteil eines Druckgradientenmikrofons ist jedoch der Nahbesprechungseffekt: Die Bässe werden stärker, je näher die Kapsel an die Schallquelle rückt. DPA Microphones gleicht den Frequenzgang dann so aus, dass er in der Nähe der Quelle nahezu linear verläuft, während der Tieftonanteil entfernter Quellen dadurch stark reduziert wird (siehe Abbildung 1).

Abbildung 1. Unterdrückung von Fernfeld-Schallquellen durch ein Gradientenmikrofon (DPA 6388) bei 0°. Der lineare Nahfeld-Frequenzgang wird in einem Abstand von 30 mm zur Quelle (dem Mund) erreicht.

Für eine optimale Leistung sollte sich das Mikrofon während des Gebrauchs nicht bewegen, und Wind oder Luftzug sollten vermieden werden, da ein Druckgradientenmikrofon im Allgemeinen windempfindlicher ist als ein Druckmikrofon [3], [4].

Das Experiment

Dieser Artikel ist eng mit der Praxis verbunden. Wir haben versucht, die durch Wind aus Mund und Nase verursachten Störungen beim Sprechen, beim Aussprechen von Konsonanten (Frikativen und Plosiven) und beim Atmen zu erfassen (siehe Details weiter unten). Lachen, Husten oder Niesen haben wir dabei nicht berücksichtigt, obwohl diese natürlich ebenfalls unbeabsichtigte, aber aus Sicht des Mikrofons ziemlich heftige Luftströme verursachen können.

Konsonanten sind besonders interessant, da zumindest westliche Sprachen stark auf sie angewiesen sind. Deshalb verstehen dich die Leute vielleicht auch, wenn du flüsterst, ohne deine Stimme zu benutzen. Der Luftstrom ist die Grundlage für Konsonanten (siehe Kasten A).

In der Fachliteratur gibt es verschiedene Studien, die mathematische Modelle anwenden, um die Entstehung von Luftströmen unter verschiedenen Bedingungen zu verstehen. In [5] wird der Luftstrom in der vertikalen Ebene analysiert. Daraus geht hervor, dass Frikative direkt zwischen den Lippen einen Luftstrom von bis zu 20 m/s erzeugen können. Der Luftstrom kann in einem weiten Auf- und Abwärtswinkel gerichtet sein. Wir wollten erfassen, wo dieser Luftstrom auftrifft – sowohl vertikal als auch horizontal.

Die Messvorrichtung

Für dieses Experiment haben wir ein Gesichtsarray entwickelt: ein Raster aus 10 Miniaturmikrofonen (DPA 4060) zur gleichzeitigen Aufzeichnung von Schall und Luftstrom (siehe Abbildung 2).

Das Array deckte nur die eine Hälfte des Gesichts ab. Unter der Annahme, dass die Mund- und Nasenöffnungen symmetrisch (links/rechts) angeordnet sind, deckt dies 17 Positionen ab.

Auch wenn Kugelmikrofone weniger windempfindlich sind als Richtmikrofone, erzeugen sie dennoch unerwünschte Geräusche, wenn sie direkt von starkem Wind getroffen werden.

Abbildung 2. Gesichtsarray, das die Hälfte des Gesichts abdeckt. Mikrofone: DPA 4060. Gittergröße des Arrays: 19 × 19 mm.

Die Mikrofone wurden in einem Raster von 19 x 19 mm (3/4 x 3/4 Zoll) angebracht. Wir haben uns aus praktischen Gründen für diese Auflösung entschieden, um mit der verfügbaren Anzahl an Mikrofonen einen relevanten Bereich des Gesichts abzudecken. Jedes Mikrofon befand sich etwa 10 mm (0,4 Zoll) vom Gesicht entfernt.

Die obere Reihe umfasste drei Mikrofone (Positionen 1–3, von der Mittellinie nach außen nummeriert), wobei sich das erste direkt unter der Nase befand (siehe Abbildung 3).

Die zweite Reihe umfasste vier Mikrofone (Positionen 4–7), wobei das erste direkt vor dem Mund lag und bei geschlossenem Mund auf die Unterseite der Oberlippe ausgerichtet war.

Die dritte Reihe, 19 mm (3/4 Zoll) unterhalb der zweiten Reihe, umfasste drei Mikrofone (Positionen 8–10), genau wie die obere Reihe.

Abbildung 3. Mikrofonpositionen, bezogen auf das Foto in Abbildung 2.

Die Mikrofonausgänge wurden digital aufgenommen.

Das Verfahren

Jeder Proband trug das Array und fungierte als Schallquelle. Im Mittel ergibt eine Minute Sprechen ein gleichmäßiges Sprachspektrum. Für diesen Teil des Experiments identifizierten wir die vom Wind beeinträchtigten Mikrofone jedoch einfach durch Zuhören.

Wir hörten uns die einminütigen Proben normaler Sprache an, um Windstöße zu erkennen (siehe Abbildung 4).

Die Probanden sprachen eine Liste von Konsonanten, und wir notierten, welche davon Windstöße an den Mikrofonen verursachten (siehe Abbildung 5).

Die Probanden bliesen außerdem in verschiedene Richtungen (gerade nach vorne, nach oben, nach unten, nach links, nach rechts und in einer kreisförmigen Bewegung), und wir notierten, welche Positionen von den Luftstößen getroffen wurden.

Schließlich analysierten wir kräftiges Atmen ausschließlich durch den Mund und ausschließlich durch die Nase.

Acht Probanden nahmen an dem Experiment teil (zwei Frauen und sechs Männer). Wir passten das Array individuell an die Gesichtsform jedes Probanden an.

Ergebnisse

Die Ergebnisse sind in den Abbildungen 4–7 dargestellt. Die Zahlen und Farben geben den Prozentsatz (gerundet) der Probanden an, bei denen in der jeweiligen Testsituation Wind erkannt wurde:

0 % = Kein Wind erkannt

13 % = Bei einem von acht Probanden wurde Wind erkannt

25 % = Bei zwei von acht Probanden wurde Wind erkannt

38 % = Bei drei von acht Probanden wurde Wind festgestellt

50 % = Bei vier von acht Probanden wurde Wind festgestellt

63 % = Bei fünf von acht Probanden wurde Wind festgestellt

75 % = Bei sechs von acht Probanden wurde Wind festgestellt

88 % = Bei sieben von acht Probanden wurde Wind festgestellt

100 % = Bei allen acht Probanden wurde Wind festgestellt

Sprache

Abbildung 4. Bei einer Minute normaler Sprache werden Windgeräusche am stärksten von den sechs Mikrofonen erfasst, die der vertikalen Mittellinie am nächsten liegen (0 mm und 19 mm). Die einzige Position, an der kein Wind erfasst wird, ist Position 3.

Konsonanten

Abbildung 5. Mikrofontreffer bei verschiedenen Konsonanten. In allen Fällen wird Position 3 nicht getroffen. Bei manchen Konsonanten, z. B. /s/, wird der Luftstrom eher zur Seite als gerade nach vorne geleitet.

Pusten

Abbildung 6. Der Effekt beim reinen Pusten mit dem Mund. Beachte, dass die oberen Mikrofone in 19 mm und 38 mm Entfernung von der Mittellinie nicht angeströmt werden.

Atmen

Abbildung 7. Mikrofone, auf die Atemluft trifft. Beachte, dass direkt unter der Nase aufgrund der Nasenscheidewand kein Wind weht.

Fazit

Jeder Mensch ist anders, und das gilt auch für die Art, wie er spricht. Mundgröße, Kieferposition usw. – all das beeinflusst die Richtung des Luftstroms aus Mund und Nase. Ein Headset-Mikrofon bietet dem Nutzer Bewegungsfreiheit und eine hohe Rückkopplungssicherheit. Es ist jedoch hilfreich zu wissen, wo man das Mikrofon platzieren sollte, wenn man es ohne zusätzlichen Windschutz verwenden möchte.

Im Experiment lag die nächstgelegene getestete Position, die nicht vom Wind des Sprechers getroffen wurde, 38 mm von der Mittelachse von Nase und Mund entfernt, bündig mit der Nasenunterseite (Position 3; siehe Abbildung 3).

Wenn Du das Mikrofon aus optischen Gründen lieber seitlich, in einer Linie mit dem Mund, platzieren möchtest, verschiebe es weiter zur Seite, etwa 57 mm von der Mittellinie entfernt. Bei einigen Personen kann es jedoch vorkommen, dass sie bei bestimmten Konsonanten „Seitenwind“ erzeugen.

Box A: Plosive und Frikative

Die Konsonanten, die am ehesten Luftgeräusche verursachen, sind Plosive und Frikative.

Plosive

Mechanismus: Der Vokaltrakt schließt sich vollständig, wodurch die Luft zurückgehalten wird und sich im Mundraum Druck aufbaut, bis es zu einer plötzlichen, explosiven Entladung kommt.

Luftgeschwindigkeit und Luftstrom: Plosive erzeugen einen intensiven, kurzzeitigen Luftstoß mit hoher Geschwindigkeit (einen vorübergehenden Ausstoß) und keinen kontinuierlichen Luftstrom. Beim Aussprechen liegt der maximale orale Luftstrom bei Plosivkonsonanten typischerweise zwischen 0,1 und 1,0 Liter pro Sekunde, was je nach Laut und Stimmhaftigkeit zu Geschwindigkeiten von bis zu 5 m/s führt.

Die Geschwindigkeit nimmt mit zunehmender Entfernung schnell ab, doch Luft, die aus nächster Nähe direkt auf die Membran eines Mikrofons trifft, verursacht einen tieffrequenten Knall oder eine Verzerrung, die als „P-Pop“ bekannt ist.

Stimmlose Plosive: /p/, /t/, /k/ (nur mit Luft gebildet)

Stimmhafte Plosive: /b/, /d/, /g/ (mit Stimmbandvibration gebildet)

Frikative

Mechanismus: Lippen und Zunge bilden eine schmale Verengung, wodurch Luft durch eine kleine Öffnung gedrückt wird, um einen turbulenten, geräuschvollen Luftstrom zu erzeugen.

Luftgeschwindigkeit und Luftstrom: Anhaltender, kontinuierlicher Luftstrom mit mäßiger Geschwindigkeit, der viel länger dauert als ein Plosiv-Stoß.

Im Englischen gibt es neun Frikativlaute (die Anzahl variiert je nach Sprache [6]):

Labiodental (Lippen und Zähne): /f/, /v/

Dental (Zunge und Zähne): /θ/ (stimmlos) wie in „think“; /ð/ (stimmhaft) wie in „this“

Alveolar (Zunge nahe dem Zahnkamm hinter den oberen Zähnen): /s/ (stimmlos) wie in „see“; /z/ (stimmhaft) wie in „zoo“

Postalveolar (Zunge weiter hinten am Gaumen): /ʃ/ (stimmlos) wie in „shoe“; /ʒ/ (stimmhaft) wie in „measure“

Glottal (Kehle): /h/ (stimmlos) wie in „hat“

Quelle: [4]

Box B: Anmerkungen zum Experiment

Dieses Experiment umfasste nur acht Probanden, was eine kleine Stichprobe darstellt. Dennoch schien es konsistente Ergebnisse zu liefern.

Es sind weitere Experimente erforderlich – zum Beispiel, um den winkelabhängigen Schallreflexionsfaktor der Kopffläche zu messen, ein Effekt, der zu einem Kammfiltereffekt führen kann.

Auch die spektralen Veränderungen an den verschiedenen Positionen sollten quantifiziert werden.

Wir werden uns damit in Zukunft beschäftigen. Jedes Experiment ist ein Vorläufer für das nächste.

Referenzen

[1] Brixen, Eddy B.: Spectral degradation of speech captured by miniature microphones mounted on persons’ heads and chests. AES Convention no. 100, Copenhagen, Denmark. Preprint 4284. 1996.

[2] What is close miking & why use it?

[3] Brixen, Eddy B.: Wind Generated Noise in Microphones - an Overview - Part I. AES Convention 120, Paris, France. Preprint 6635. 2006.

[4] Brixen, Eddy B.: Wind Generated Noise in Microphones - an Overview - Part II. AES Convention 121, San Francisco, CA, USA. Preprint 6879. 2006.

[5] Mofakham, Amir A.; Helenbrook, Brian T.; Erath, Byron D.; Ferro, Andrea R.; Ahmed, Tanvir; Brown, Deborah M.; Ahmadi, Goodarz: On the variation of fricative airflow dynamics with vocal tract geometry and speech loudness. Aerosol Science and Technology, Volume 56, 2022, Issue 5.

[6] WALS Online - Chapter Voicing in Plosives and Fricatives.