Allt du alltid velat höra, och lite till

Skriven av

Det finns mikrofoner och mikrofoner och sedan finns det Jörgen Thuressons mikrofoner. Ett köksbord kan användas till mycket och Jörgen använder sitt till mikroskopiskt mikrofonsnickeri.

CM402, esoterisk mikrofon i de högre sfärerna, svenskt konsthantverk av Jörgen Thuresson. Tänk handskuren dalahäst!

Mikrofontyper

Det finns många typer av mikrofoner med olika egenskaper, från den allra enklaste kolkornsmikrofonen som fungerar genom att vibrationerna i membranet pressar samman kolpulver i mikrofonkapseln och på så sätt ändrar dess resistans, med usel ljudkvalitet och rassel som följd, över kristallmikrofonen där membranet böjer en särskild sorts kvartskristall och därmed alstrar en växelspänning med tämligen begränsat frekvensområde, till den dynamiska mikrofonen med en trådspole som rör sig i ett magnetfält och genom denna rörelse genererar en ström. Frekvenssvaret hos den dynamiska mikrofonen är bättre än hos de två tidigare men ljudkvaliteten begränsas av den tunga spolen.

I kondensatormikrofonen har den rörliga delen begränsats till ett enda metalliserat lättviktsmembran (under 0,00001 gram) i plastfolie, som utan nämnvärd distorsion kan följa ljudvågen. Ju större membranet är, desto lättare kan det följa med i luftens vibrationer och desto mindre betyder de felaktigheter som oundvikligen uppstår längs kanterna där membranet sitter fastspänt.

Mikrofonkapslarna av kondensatortyp är underverk av miniatyrisering. Skruvarna de sätts samman med (M1×3) är så små att man knappt kan ta dem med fingrarna. Membranplasten (överst) är så tunn och lätt att man inte ens känner att man håller i den.

Membranet är anslutet till en högimpediv spänningskälla och den fasta elektroden intill är jordad (eller tvärtom) och de båda bildar en kondensator. Spänningen över en kondensator ändras linjärt när kapacitansen ändras, det vill säga avståndet mellan plattorna om laddningen är konstant, så om membranet kommer närmare den fasta elektroden ökar kapacitansen och spänningen sjunker, och tvärtom när membranet svänger bort.

Kapslarna monteras på stående kretskort i vars nedre ände drivelektroniken sitter. I bilden ovan rör det sig om en experimentkonstruktion med dubbla uppsättningar för stereo.

Principen låter enkel, men spänningsvariationerna som uppstår är på mikrovoltnivå och kan drabbas av störningar. Ju större membranet görs, desto större spänningsskillnader får man eftersom en större kapacitans ändras mer än en mindre, men bara genom synnerligen noggrann konstruktion av den efterföljande förstärkaren kan bruset och distorsionen begränsas. Laddingen i kapseln är väldigt liten, så man får bara dra försumbar laddning ur kondensatorn (attocoloumb) för att inte vågformen ska störas. Spänningsförsörjningen till membranet måste också vara brusfri, eftersom den påverkar utsignalen direkt.

En titt bakom förlåten

Kretskorten monteras på en bottenplatta med fyra stödskruvar, nätburen ställs på och taket dras fast med fyra kupolmuttrar, allt syndigt svart.

Det är här Jörgen Thuressons guldfingrar kommer in. Han har optimerat mikrofonens alla komponenter enligt metoden meka-lyssna-lär och mejslat sig ned i problemet under tjugo års tid. Han har i princip bara en enda målsättning, nämligen att fånga verkligheten utan “sound”. Han svänger sig inte med några audiomagiska termer eller hävdar underliga, omätbara effekter med syrefri koppar och överliggande kramaxlar utan står med fötterna stadigt på jorden och en lödpenna i handen.

Man kan förledas att tro att det ligger en massa räknearbete bakom mikrofoner i den här klassen, men Jörgen är inte den som tar fram formelsamlingen i onödan. Tvärtom är det mesta rent empiriskt arbete. Som synes fungerar fil och sandpapper vid köksbordet ibland precis lika bra som storindustrins glänsande laboratorier och dyrbara datormodeller. Naturligtvis har Jörgen inte jobbat helt i blindo, utan han har förståss läst på och naturligtvis också sneglat på konkurrentmikrofoner för att få inspiration. Han hävdar dock att han aldrig någonsin kopierar, utan utvecklar allt själv och att hans CM402 inte efterliknar någon annan kommersiellt tillverkad mikrofon.

När han demonstrerar metoden att manuellt spänna den mikrometertunna membranfolien över mikrofonkapseln absolut jämnt, och sedan sticka skruvhål i den och skruva i åtta stycken M1-skruvar med urmakarmejsel, ja då faller alla tvivel. En enda mikrofonkapsel består av 49 olika delar. Detta är finpilleriets högborg. Mitt antagande styrks ytterligare av att det knappt går att sätta ned en kaffekopp på sagda köksbord utan att man först skjutit hela berg av mikroskopiska komponenter, membran och underligt formade plåtbitar åt sidan.

Svårigheten när man designar en ny mikrofon, när den förra man designade redan var bäst i världen, är att oavsett vad man ändrar på, så ändras något annat samtidigt. Frekvensgång, resonanser, riktverkan och brusnivåer balanserar alla mot varandra.

Membranplastens äventyr

Membranet är utan tvivel mikrofonens viktigaste del och den del som påverkar ljudkvaliteten mest om det konstrueras slarvigt. För att gå upp i diskanten ska membranet vara litet, med hög dämpning som resultat, men för att gå ned i basen med bra riktverkan ska det ha låg dämpning och vara större. Blir det för stort faller diskanten. Det gäller att hitta den optimala diametern, som ligger någonstans kring 19 millimeter (utan stöd på mitten). Gör man det större blir det mera “hängmatta”. Då måste man sträcka membranet mer och då åker känsligheten ned och den relativa brusnivån upp. Dämpningen kan minskas ytterligare genom att den fasta elektroden perforeras med en mängd hål med en delning och diameter som Jörgen inte gärna avslöjar. Det lufttryck som bildas bakom membranet måste ha någonstans att ta vägen och helst utan att det uppstår någon orgelpipe-effekt.

Resonanserna måste elimineras. Det är inte membranet i sig själv som orsakar resonans utan måtten på kaviteten bakom som bestämmer var resonanstoppen ska hamna och hur mycket den ska skjuta upp i frekvensspektrum.

Ett problem har varit att välja rätt plastmaterial. De flesta väljer mylarfolie, men det har tämligen dåliga fuktegenskaper. När membranet absorberar luftfuktighet utvidgas det, sträckningen minskar och mikrofonens känslighet ökar och membranet kan ta emot den fasta elektroden. Med mylar tvingas man sträcka det extra för att få en säkerhetsmarginal. Efter mycket urvalsjobb hittade Jörgen en plast som inte absorberar nämnvärt mycket fukt – en plast vars namn han inte avslöjar. Av den anledningen föreligger inte någon känslighetsvariation vid olika fuktighet.

Avståndet mellan membran och fast elektrod bara är 24 mikrometer, i stil med Glad-pack, varför planheten hos den fasta elektroden måste ligga på mikrometernivå. Det finns ett teoretiskt brusgolv: den Brownska rörelsen, de studsande luftmolekylerna, och det gäller att öka känsligheten på olika sätt för att komma bort från det. Men det är bara en av flera störkällor. Risken finns att det hamnar damm mellan membran och elektrod och det orsakar slumpmässiga urladdningar med fnisselljud som resultat. Därför är Jörgen flitig med tryckluften innan han monterar membranet.

Andra orsaker till brus kan vara membranspänningen, men det är eliminerat med effektiv filtrering av spänningen. Dessutom agerar membranet själv silkondensator. Andra konstruktörer har valt högre membranspänning, men Jörgen nöjer sig med knappt halva fantomspänningen, 20 volt, vilket gör att han inte behöver använda en switchande spänningsomvandlare för att få upp spänningen. Sådana brusar också.

Membranet spänningsmatas över 10 gigaohm (!) så alla läckströmmar i upphängningen är förödande och kan orsaka många decibel extra brus. Teflon är ett bra material som inte absorberar fukt, men tyvärr “flyter” det under tryck, så att de skruvar man drog åt igår, sitter lösa i morgon. Med bara 20 volts matningsspänning visade sig risken för problem med läckströmmar vara mindre. Slutligen kan ett högomigt membran orsaka brus när man andas på det. Men Jörgens främre membran är jordat och istället är det den fasta elektroden som varierar i spänning. Därför spelar fukten på utsidan ingen roll. Se där, ytterligare en enkel lösning på ett knepigt problem.

Den sista källan till brus är själva förstärkarelektroniken. Jörgen avslöjar inte hur han konstruerat den, men berättar att den är baserad på lågbrusiga FET-transistorer. Det rör sig om något så enkelt som en single-ended-förstärkare med endast tre transistorer.

10 gigaohm är väldigt hög impedans även för glasfiberkretskort, men eftersom inga hål tagits genom kortet så når man aldrig glasfibrerna inuti och den fukt de absorberat. Dessutom är ytorna små, korten hanteras med handskar och fuktskyddas med lack.

En titt i schemat

Så här ser kopplingsschemat för CM402 ut i huvudsak. Elektroniken drivs av de 40 volt man får ur fantommatningen (se avsnittet Fantommatning, nedan) och efter noggrann silning med 100 mikrofarad. 40 volt räcker bra och inga DC/DC-omvandlare behövs. Som tidigare nämnt är membranet är jordat, vilket gör att den signalgivande fasta elektroden hamnar bakom en skärm. Riktverkan (se avsnittet Riktverkan, nedan) åstadkoms genom att fasvända kontramembranet och metoden är elegant: med en omkopplare kan man sätta dess polarisationsspänning i olika nivåer över eller under +20V och utspänningen på den fasta kontraelektroden kommer då att verka med eller mot huvudelektroden, beroende på i vilken fasvinkel ljudet faller in. Notera att fantommatningen här sker med en spänningsdelare, medan stycket om fantommatning nedan skildrar den klassiska metoden med transformator.

Man skulle kunna tro att membranet skulle kunna slå i den fasta elektroden när det sitter så oändligt nära, men eftersom utslaget sällan överstiger några tiotals 10 nanometer av möjliga 24 mikrometer händer det inte. Det kan dock hända om man blåser in i mikrofonen, en säker mikrofondödare. Det som händer då är att spänningen i membranet tillfälligt laddas ur när det når den fasta elektroden, förstärkarens arbetspunkt flyttas och mikrofonen måste återhämta sig. Så icke med CM402 eftersom membranet är lågohmigt, metalliserat. En urladdning betyder väldigt lite vid 20 volt. Men det finns andra anledningar till att aldrig blåsa in i en mikrofon, till exempel allt spott som fastnar på membranet och kan förändra dess egenskaper permanent.

Allting inuti thuressonmikrofonerna är så smått att Jörgen tvingas använda ytmonterade komponenter på sina kretskort. Dessa går att handlöda om man anstränger sig. Det rör sig trots allt inte om megamulti-massproduktion.

Elektronrör då?

– Äsch, fnyser Jörgen. Jag byggde några mikar med rör för att några kunder ville ha, men inte blev de bättre. De är bara svårare att driva. Men de är klart snyggare att titta på. De glöder så hemtrevligt. Är det bara ljus kunden vill ha, så sitter det lysdioder på kretskorten i mikrofonerna nu också. Elektronrören ska ju ha mjukare karaktäristik vid överstyrning. Kan så vara, men varför ska man styra över dem? Hör man bara skillnad när man styr över?

Fantommatning

Mikrofoner med inbyggd elektronik måste strömförsörjas. Men eftersom en anslutningsstandard med 3-polig XLR-kontakt som inte har några kontatkstift för matningsspänning redan existerat länge när detta krav uppkom, drog man nytta av det faktum att mikrofonledningen är differentiellt kopplad via transformatorer. En likspänning som läggs på ledningen mellan mittuttaget i transformatorn och jordledningen påverkar inte ljudspänningen och mättar inte transformatorn. Eftersom strömmatningsledningen egentligen inte finns, kallas den för “fantomledning”. Normalt använder man 48 volt likspänning som tas ut på transformatorns mittuttag i mikrofonänden.

Då bruket av transformatorer har minskat, likströmsisoleras numera mikrofonelektroniken med kondensatorer och spänningen tas ut via motstånd, som i förra schemat, ovan. Principen för differentiell koppling är emellertid densamma.

Riktverkan

Riktverkan vill man gärna ha, huvudsakligen för att minska störningarna från ovidkommande ljudkällor i rummet. Mikrofonkapseln är av dubbelmembrantyp och genom att gradvis fasvända kontramembranet mot huvudmembranet får man olika riktningskaraktäristik beroende på kontramembranets fas och amplitud. Metoden att fasvända kontramembranet är nästan löjligt enkel och därmed billig och dessutom absolut faslinjär. Har båda membranen samma matningsspänning blir resultatet rundtagande, “kula”, med passivt kontramembran blir verkan en kardioid (njure) och med motsatt polaritet blir resultatet en “åtta”. Med en nio-stegs omkopplare kan man välja matningsspänning på kontramembranet själv och få alla ljudbilder mellan kula och åtta (se karaktäristikomkopplaren i schemat ovan).

Violin fångas huvudsakligen uppifrån. Problemet är att violinister flyttar på sig hela tiden vilket kan ge problem med riktverkan. Då är det betydligt viktigare att man kommer tillräckligt nära, utan att mikrofonen kan punkteras av en vilt viftande stråke.

Det har varit svårare att eliminera reflexer från mikrofonens fasta delar, bottenplatta med mera, som gör frekvensgången “taggig”. CM402 är i stort sett bara en trådbur och bottenplattan där kontaktdonet sitter är genombruten av stora hål för att inte reflektera för mycket.

Strutar som spretar

Hur ska man åstadkomma riktverkan utan att färga ljudet? Det är ett känt faktum att en dubbelmembranmikrofon får olika frekvensgång om man ändrar dess riktverkan, beroende på att avståndet från ena sidan till andra är olika långt för olika våglängder vilket ger olika grad av utsläckning.

Det mest framträdande hos CM402 är de 15 millimeter långa, gula strutar i syntetmaterial som står rätt ut från kapselns båda sidor. Strutarna är transparenta i diskanten men ökar kapselns yta i basen, vilket ger längre avstånd mellan fram och baksida varför kapseln behåller sin riktverkan i lägre frekvenser och inte faller i basen. I läge kula spelar detta ingen roll, men strutarna förbättrar basgången betydligt i lägena kardioid och åtta. Idén är tagen från engelska bandmikrofoner som tillverkades på femtiotalet, men då använde man istället plana tygbafflar.

Stöttålighet

Mikrofonkapseln och dess upphängning är synnerligen känslig och den måste skyddas mot stötar. Den är inte så tung i sig själv så den är inte särskilt utsatt för G-krafter, men om en mikrofon faller, sittande på ett mikrofonstativ kan nätburen plattas ut mot marken av stativets tyngd. Av den anledningen är CM402 försedd med störtbågar i 4 millimeters rostfri ståltråd. Dessa går knappast att pressa ihop med handkraft. Som ett “led i kvalitetssäkringsarbetet” tappade en kund sin mikrofon i golvet och den klarade sig faktiskt utan skador.

Buren hängs upp skaksäkert i en störtbåge i O-ringar av ozonbeständigt EPDM-gummi. Du ser tydligt den gulaktiga struten som sticker ut från mikrofonelementen, avsedda att jämna ut frekvensgången i basen.

Kvalitetskriterier

Mikrofonbygge handlar bara om en enda sak, förutom en stadig hand: man måste lyssna sig fram till det optimala resultatet. För det krävs fullgod hörsel och Jörgen har nått 61 års ålder. Vi undrar hur mycket hörsel han har kvar och om det kan störa i arbetet? Ska man kunna designa den här typen av mikrofoner ska man inte ha gått särskilt mycket på diskotek i yngre dagar och skaffat sig tinnitus och dippar i frekvensgången i öronen.

– Jag har inte gått så mycket på disko. Min hörsel är tämligen väl bevarad. Hörseln förändras alltså inte alls så mycket med åldern som man skulle kunna tro.

Annars duger obarmhärtig kritik också bra som drivkraft.

Jörgen har hjälp av två personer som får ha åsikter om alla nya konstruktioner. När mikrofonfreaken och fd. violinisten i Stockholms Filharmoniska Orkester Semmy Lazaroff med sina med sina närmast övermänskliga öron slutar klaga på någonting, då är det bra. Då anser Jörgen att det är “S-märkt”. Den omutligt skoningslöse akustikmätfreaken Alexander Häggström lägger sig också i. Han kasserar det mesta och när han inte klagar så mycket, då går det att sälja.

Att ställa upp mikrofoner

Bandonion-virtuosen Olivier Manoury djupt försjunken i ett våldsamt solo. Här står mikrofonerna nästan nere på golvet eftersom ljudutsläppet sker i dragspelets ändar, som vänder nedåt när musikern lever ut som mest.

Mikrofonen låter “kusligt realistiskt” finns det vissa som säger. “Ruskigt hög detaljupplösning utan att vara vass” säger andra. Det är alldeles uppenbart att vi här rör oss i de högre stratosfärlagren. Efter att ha provat mikrofonen i tyst miljö kan vi inte annat än hålla med om att den kusliga realismen är reell. Vid prover med relativt svaga ljud, som rispande fingertoppar och urverk i armbandsur ringer det plötsligt på dörren och chocken undertecknad drabbas av vid den plötsliga ljudstöten är bevis nog för den ypperliga brusfriheten hos CM402.

Denna nya klass av kusligt realistiska mikrofoner ger naturligtvis ljudteknikerna en ny kader problem. Det kan räcka med att en orkestermedlem har lite knirkiga skor, eller att någon musiker omedvetet knakar med tänderna inför känslosamma moment, för att en tekniker ska få hispan.

Bilden visar en nattsittning med orkestern Grande Tango i Matteus kyrka i Stockholm. Inte mindre än sju Thuresson-mikrofoner i olika generationer är uppställda för att fånga violin, flygel, basfiol, dragspel och efterklang. Diskussionens vågor gick höga om flygelljudet. Vill man ha bara klangen skall mikarna sitta nedanför sargen. Eller är det snyggare att få med anslagsmekanismens ljud? Det slutar med att mikrofonerna åker upp en halvmeter (ingångsbilden). Alla koncentrerar sig, andas in och slår an. Då mullrar en lastbil igång. Gör om…

Samma sak gäller luftkonditionering och belysning i lokaler som vi människor kan tycka vara helt tysta. När signalbrusförhållandet blir riktigt stort börjar apparaturen registrera lågfrekvent muller och brus från fläktar som aldrig var avsett att höras. Fläkten i en dator, en lastbil som varvar upp en bit bort, för att inte tala om knirret från strålkastare när glödtrådarna vibrerar av växelströmmen de genomflyts av. Luftkonditioneringen i Konserthuset är sannolikt det ljud som spelats in mest därstädes.

Ska man spela in med riktigt högklassig utrustning i en odämpad lokal för att få naturlig efterklang, som till exempel i en kyrka, finns det inget alternativ till att sitta uppe till klockan två-tre på natten. En stad är som en kokande gryta av för människan ohörbart buller och infra-dån, som en så här skoningslös mikrofon mer än gärna fångar upp.

Vi ska här inte ge oss in på ytterligare jämförelser med andra fabrikat, med risk för att omedelbart få älskare av Neumann, AKG, Brüel & Kjaer med flera, på oss. Vi kan bara konstatera att för ett nominellt pris för en CM402 under 20.000 kronor får man väldigt mycket mikrofon, synnerligen hög kvalitet, god mekanisk finish och mycket stöd i form av en avsevärd bakomliggande kunskapsbas.

Läs mer

Andra “riktiga” svenska mikrofontillverkare som bygger alltihop själva.

Pearl: http://www.pearlmicrophones.com

Line Audio: http://www.lineaudio.se

Ehrluind Microphones: http://ehrlund.se

SELA AB: http://www.sela.se/mikrofoner

Milab: http://www.milabmic.com

Hansén Audio (nedlagt): http://www.hansenaudio.se

Fantastiska data

Mikrofonkapslarna till CM402 är små underverk av finmekanik.

Egenbrus: 7 dBA
Diameter: 19 mm
Tjocklek: 3 mm
Nominell kapacitans: 47 pikofarad
Membranets vikt: ~mikrogram
Avstånd mellan membran och fast elektrod: 24 mikrometer
Membranutslag vid 94 dB SPL: några 10-tals nanometer (100 atomdiametrar)
Strömförbrukning: 2,4 mA på 48 volt fantommatning

Med lite god hand med kalkylatorn kommer man fram till att utspänningsvariationerna direkt från membranet blir cirka 0,4 mV när kapacitansen varierar från nominella 47 pF till 47,0094 pF vid ett utslag på 10 nm (i fältstyrkan 0,4 volt/m). Vid 1000 Hz kan man då ta ut hela 0,188 nA ur membranet!

Hur låter det?

“Läskigt realistiskt” är en bedömning. “Det låter inget alls” är Jörgens egen åsikt. Men ta inte mina ord för det utan lyssna själv. Här är några CD-skivor och SACD med högklassig musik inspelad med CM402.

Lunds studentsångare: Sköna maj, Naxos 8.557994, Malmö konserthall, juni 2005, flerkanal
St. Jakobs kammarkör med Anders Paulsson: Hymn to Life, Caprice CAP 21732 2004
Gustav Sjökvists kammarkör: The Sky, the Flower and the Lark, Proprius PRCD 2011 2001
Gunnar Idenstam, orgel, Johan Hedin, nyckelharpa: Låtar / Swedish Folk Tunes, Caprice CAP 21733 2004
Mattias Wager, orgel: Organ Treasures (Bach, Franck, Vierne m fl), Opus3 CD 22031 Hedvig Eleonora kyrka, juni 2003. SACD 4.1-ljud
Erik Westerbergs vokalensemble: A Star is Shining (huvudsakligen sakralt), Opus3 CD 22041 2004, SACD

Anmärkning

Jörgen Thuressons mikrofoner finns inte till försäljning i Europa, men kan mycket väl köpas i Nashville i USAmerika med omnejd. Orsaken till detta är att Jörgen inte anser sig ha ekonomiska eller administrativa möjligheter att uppfylla EU-direktiven och ett sätt att slippa alla direktiv och byråkratiskt krångel är att inte marknadsföra här.

Ej heller publicerar han något datablad, eftersom hans tilltro till “de stora grabbarnas” datablad är tämligen låg. Han vill hellre jämföras på lyssnarbasis, men intygar att frekvensgången för CM402 endast buktar upp omkring 1,5 dB vid 6-8 kHz i en bred topp.

Märken på artiklar:
Artikelkategorier:
Akustik · Demontera saker · Elektronik

Lämna en kommentar

E-postadressen publiceras inte. Obligatoriska fält är märkta *