Entwicklung des mobilen Surround-Mikrofons 5100

Das 5100 ist eine Plug-and-Play-Lösung für 5.1-Aufnahmen. Es hat fünf Miniatur-Druckwandler mit Interferenzrohren und akustischen Schallwänden. Hier erklärt Tonmeister Mikkel Nymand, wie die Idee dazu entstanden ist und wie das Ganze funktioniert.

Unterschiedliche Anforderungen an die Surround-Aufnahme

DPA Microphones hat im Laufe der Zeit schon viele verschiedene Surround-Mikrofon-Arrays entwickelt und kennt daher die unterschiedlichen Anforderungen und Anwendungen bei der Aufnahme von akustischem Surround-Sound. Ein Trend geht in Richtung Portabilität für das, was man als "Instant"-Surround-Sound-Aufnahme oder "Surround to-go" bezeichnen könnte – Produktionen, bei denen man nicht viel Zeit und den Platz für den Aufbau hat. Dennoch muss 5.1-Sound für High-Definition-Produktionen geliefert werden uns so braucht es ein präzises, schnell arbeitendes und zuverlässiges Werkzeug.

Die Anforderungen an ein mobiles Surround-Mikrofon sind einfach: Tragbarkeit, geringes Gewicht, Robustheit, Benutzerfreundlichkeit, Wind- und Wasserschutz, schnelle Einrichtung ohne zusätzliche Verarbeitung und eine beeindruckende und umhüllende Klangqualität, die die Zuhörenden erwarten.

Produzierter und akustischer Surround-Sound

Bevor wir weitermachen, hier ein paar allgemeine Gedanken zur Surround-Sound-Produktion. Das Ziel von Surround-Produktionen ist es meistens, den Zuhörenden zu umhüllen und das Hörerlebnis zu intensivieren. Es muss einen deutlichen Unterschied zu Stereoproduktionen geben.

Es ist auch wichtig, zwischen produziertem Surround und akustischem Surround zu unterscheiden. Bei produziertem Surround werden manchmal viele Monokanäle im Klangfeld surround-gepannt. Die meisten modernen Mischpulte und Workstations können diese Funktion bieten, um eine virtuelle Realität zu schaffen. Akustischer Surround hingegen zielt darauf ab, das Gefühl der Präsenz in einer bestimmten akustischen Klangumgebung zu verstärken, indem die Eigenschaften der Akustik mit Hilfe von Surround-Mikrofontechniken erfasst werden.

Das ganze Klangfeld aufnehmen und wiedergeben

Der Hauptvorteil von 5.1-Surround-Sound gegenüber Stereo ist, dass die Richtung, aus der die Umgebungsgeräusche aufgenommen werden, auch die Richtung ist, aus der sie wiedergegeben werden. Die Abbildungen zeigen eine originale, aber vereinfachte Klangbühne und ihre Wiedergabe in Stereo sowie eine authentischere Wiedergabe in 5.1-Surround-Sound.

Ein ausgewogener Surround-Sound fängt das ganze Klangfeld ein und hat eine ausgezeichnete Bildgebung und Lokalisierung. Diese Produktionen geben nicht nur das direkte Signal im Frontsystem und die Umgebung im Surround wieder, sondern haben auch einen gleichmäßigen und stimmigen Klang rund um den Zuhörenden. Guter akustischer Surround-Sound braucht hochwertige Mikrofone mit neutralem Charakter, um ein echtes "Dabeisein"-Gefühl zu erzeugen, und sie sollten einen breiten Dynamik- und Frequenzbereich haben. Guter akustischer Surround-Sound braucht identische Mikrofone mit hervorragendem Off-Axis-Ansprechverhalten und minimalen Phasenabweichungen, um eine sanfte Überblendung zwischen den Front- und Rear-Kanälen in der Surround-Bühne zu ermöglichen.

Typ	Umhüllung	Sweet-Spot-Größe	Kompaktheit/ Portabilität	Genauigkeit der Lokalisierung
Koinzidenz-Arrays	-	-	+	+
Abstands-Arrays	+	+	-	-

Koinzidenz-Arrays vs. Abstands-Arrays

Koinzidenztechniken (Lokalisierungshinweise, die nur auf Pegelunterschieden zwischen Signalen basieren) können eine gute Lokalisierungsgenauigkeit bieten, aber es fehlt ihnen an Umhüllung und sie führen zu einem kleinen Sweet Spot. Der Vorteil eines Koinzidenz-Arrays ist, dass es kompakt und tragbar ist. Ein Abstands-Surround-Array erzeugt ein dreidimensionales Umhüllungsgefühl, indem es für eine ausreichende Dekorrelation zwischen den Signalen sorgt. Lokalisierungshinweise basieren auf Unterschieden in der Ankunftszeit. Bei der Anpassung der Mikrofonplatzierung (Abstand und Winkel) an das Schallfeld bieten beabstandete Arrays immer noch eine gute Lokalisierungsgenauigkeit.

Beabstandete Techniken bieten einen großen Sweet Spot und man spürt die vergrößerte und umhüllende Klangbühne in einem größeren Hörfeld. Der Nachteil ist die Größe, Sichtbarkeit und Einrichtungszeit.

Es gibt verschiedene Technologien, um ein Surround-Mikrofon zu realisieren. Angesichts der präzisen Vorgabe, dass es so kompakt wie möglich sein soll – vorzugsweise innerhalb der Abmessungen dieses Magazins – ist die Verwendung von weit auseinander angeordneten Mikrofonen mit dekorrelierten Signalen natürlich nicht der richtige Weg. Die Richtwirkung muss hauptsächlich durch Pegelunterschiede und einige kopfbezogene Spektralhinweise erreicht werden. Das 5100 ist aber keine Lösung mit kopfbezogenen Phasensignalen, bei der Mikrofone bündig auf einem Kunstkopf montiert sind, da diese Technik am besten bei der Wiedergabe über Kopfhörer funktioniert (da sie Übersprechen und Raumgeräusche durch die direkte Wiedergabe im Ohr eliminiert).

Unser erstes Arbeitsmodell war aus einem Karton ausgeschnitten und hatte fünf omnidirektionale Mikrofone. Die Leistung war überraschend gut. Die Umhüllung und Lokalisierung war üppig, aber der Frequenzgang litt unter Kammfiltereffekten. Wir entschieden uns für die bekannte Methode, die omnidirektionalen Mikrofone mit absorbierendem Material voneinander zu trennen. Die Herausforderung bestand nun darin, ein Material zu finden, das dicht genug war, um keinen Schall durchzulassen, und dennoch offen genug, um ihn nicht zu reflektieren. Es wurde ein faserähnliches Material entwickelt, das als akustische Trennwand zwischen den Mikrofonen fungiert, ähnlich wie eine Jäcklin-Scheibe zur Verbesserung der Lokalisierung in AB-Stereo-Arrays.

Die DiPMic-Technologie

Echte Druckempfänger-Mikrofone (omnidirektional) haben ein paar Vorteile gegenüber Druckgradienten-Richtmikrofonen. Die Verzerrung ist normalerweise geringer, was zu einer natürlicheren Klangfarbe führt. Der Nahbesprechungseffekt ist nicht da, was zu einem gleichmäßigen Frequenzgang im Tieftonbereich führt, egal wie weit man von der Schallquelle entfernt ist. Außerdem sind Wind- und Handhabungsgeräusche viel leiser, was ein großer Vorteil ist, wenn man bedenkt, wofür das 5100 gemacht ist. Wie man in den Grafiken sehen kann, sind die Windgeräusche bei einem Druckmikrofon normalerweise mindestens 20 dB leiser als bei einem Druckgradientenmikrofon unter 200 Hz (wo Windgeräusche am stärksten sind).

Dank fast zehnjähriger Forschung und Entwicklung bei DPA Microphones im Bereich der Verwendung und Konstruktion von Interferenzrohren wissen wir, wie man sie konstruiert und einsetzt, um das Verhalten eines Mikrofons zu steuern. Die Richtwirkung und der Frequenzgang können gesteuert werden, und zum ersten Mal in unserer Branche haben wir Interferenzrohre in Druckmikrofonen eingesetzt – eine Technologie, die normalerweise in Druckgradienten-Kapseln für Richtmikrofone zu finden ist. Wir haben das DiPMic-Prinzip (Directional Pressure Microphone) bei den drei Frontmikrofonen eingeführt und profitieren damit von beiden Welten – den bereits erwähnten Vorteilen und den psychoakustischen Richtungshinweisen, die durch Pegel- und Spektralverschiebungen mit Interferenzrohren und Schallwänden aus akustischen Fasern erzielt werden.

Rückwärtskompatibel

Ein wichtiger Punkt bei Broadcast-Audio ist die Kompatibilität mit Stereo und Mono. Selbst der schönste Surround-Mix muss in Mono abgespielt werden können, ohne dass sich die Klangfarbe stark verändert. Beim 5100 haben wir uns für eine Front-Anordnung der L-, C- und R-Mikrofone entschieden, die zeitlich aufeinander abgestimmt sind, damit man sie zu Stereo oder Mono summieren kann, ohne dass es zu Phasenauslöschungen kommt. Die Winkel zwischen den Mikrofonen und den Trennwänden sorgen für die Richtwirkung bei Stereo oder Surround.

Vorteile durch drei psychoakustische Wahrnehmungsindikatoren

Neben den schon erwähnten Pegel- und Spektralunterschieden zwischen dem DiPMic und den akustischen Faserschallwänden ist es wichtig, so viel Zeitabstand wie möglich in so einem kompakten Gerät zu haben, damit man die Größe der Surround-Sound-Komponente richtig spürt. Das vordere Array ist von den hinteren Mikrofonen entfernt, und der Abstand zwischen den hinteren Mikrofonen beträgt 185 mm (7,3 Zoll), was dazu beiträgt, dass es sich so weiträumig wie möglich anfühlt. In vielen Fällen ist sogar noch mehr Räumlichkeit gefragt, und das Hinzufügen einer Verzögerung zu den hinteren Kanälen ist ein wirkungsvolles Mittel, um dies zu erreichen.

Tipps und Tricks zum Mischen

Wenn die hinteren Mikrofone so klingen, als wären sie 3-5m vom vorderen Array entfernt, merkt man eine Zeitverzögerung und die Dreidimensionalität wird verbessert. Bei der Aufnahme von perkussiven und dynamischen Inhalten im hinteren Bereich sollte man diese Technik aber vorsichtig einsetzen. Eine Verzögerung dieser Komponenten führt zu einer psychoakustischen Diskrepanz, wenn die Quellen lauter, aber später als die vorderen wahrgenommen werden. Deshalb ist ein Abstands-Array immer richtig für jeden Winkel, was die natürliche Zeitverzögerung zwischen den Kanälen angeht.

Das menschliche Gehör hat einen Hochfrequenzabfall bei Schallquellen, die von hinten kommen. Jede Komponente mit dieser Eigenschaft wird von Natur aus als Umgebungsgeräusch oder "von hinten kommend" wahrgenommen. In manchen Fällen kann man auch einen 3-dB-Shelving-EQ zur Dämpfung der hinteren Kanäle einsetzen.

LFE-Ausgang

Wenn wir über tiefe Frequenzen und LFE reden, ist es wichtig, zwischen dem LFE-Kanal und dem Einsatz eines aktiven Subwoofers zu unterscheiden. LFE steht für "Low-Frequency Effects" (tieffrequente Effekte) und kommt aus der Filmindustrie. Es ist ein separater Kanal, der die Dynamik im Bassbereich für Filmtonmischer verbessert. Er ist als frequenzbegrenzter Kanal an die 5.1-ITU-Norm angepasst und sollte mit +10 dB wiedergegeben werden (was bedeutet, dass der Kanal selbst bei -10 dB liegt).

Für das 5100 haben wir uns für einen separaten LFE-Ausgang entschieden, um 5.1-Plug-and-Play-fähig zu sein. Alle fünf Kanäle mit voller Bandbreite enthalten auch den Niederfrequenzbereich bis hinunter zu 20 Hz. Der LFE-Ausgang ist einfach die zusätzliche Energie, die den Klangcharakter des Geräts abrundet – man ist nicht verpflichtet, ihn einzubeziehen, aber es wird empfohlen. Beim Downmixen ist es ratsam, den LFE-Kanal gleich LR einzubeziehen. Der LFE-Ausgang des 5100 ist eine Summe aus L&R, tiefpassgefiltert bei 120 Hz und um 10 dB gedämpft. Er ist phasengleich mit dem Niederfrequenzanteil von LR.

Der LFE-Ausgang des 5100 kann als Teil der spektralen Klangfarbe des Mikrofons betrachtet werden und wird daher nach Gehör eingestellt. Wenn man den Frequenzgang der drei vorderen DiPMic-Mikrofone analysiert, stellt man fest, dass sie aufgrund der Interferenzrohre tendenziell einen Anstieg in den höheren Frequenzen aufweisen. Daher sorgt der LFE für eine schöne und intensive Klangenergie im endgültigen Klangbild.

Breakout-Stecker und Kabel

Der analoge 5.1-Ausgang vom 5100 geht über einen mehrpoligen Lemo-Stecker, der alle sechs Kanäle elektronisch symmetriert, wobei ein 5m langes Mogami-Kabel mit sechs Adernpaaren in sechs Neutrik XLR-M-Stecker aufgesplittet wird.

Womit das 5100 getestet wurde

Wir haben das 5100 bei vielen verschiedenen Aufnahmeanwendungen ausgiebig getestet. Wir haben bewegliche Objekte wie Sportwagen, Pferde, Züge, Flugzeuge, Schüsse und sogar einen Raketenstart aufgenommen und die Atmosphäre bei Fußballspielen und in einer Autowerkstatt eingefangen. Außerdem haben wir das Gerät für konventionellere Musikaufnahmen wie Streichquartette und eine Kirchenorgel verwendet. Wir sind überzeugt, dass das 5100 einen satten, harmonischen und vollumfassenden Surround-Sound erzeugt, der sich durch Kohärenz, Kanaltrennung und Lokalisierungsgenauigkeit auszeichnet.