Základní informace o šumu v mikrofonech
Všechny mikrofony bez ohledu na značku či model vytvářejí vlastní šum. Přesněji řečeno, šum je generován tokem elektronů a také přítomností molekul vzduchu v blízkosti citlivé mikrofonní membrány. V tomto článku nás bude zajímat jev, který je v technických specifikacích mikrofonů obvykle uváděn pod pojmem „vlastní šum“.
Při práci s mikrofonem většinou očekáváme ten nejčistší možný signál, jenž je v ideálním případě zcela prost otravného šumu. Bohužel, signál bez šumu být z principu nemůže (navzdory tomu, že to někteří výrobci ve svých marketingových materiálech tvrdí), a tak chcete-li dosáhnout té nejlepší zvukové kvality nezaškodí vždy nejprve zkontrolovat údaje o šumu mikrofonu. V jeho specifikacích zpravidla najdete hodnotu, která kvantifikuje tzv. „ekvivalentní úroveň šumu“. Tento údaj popisuje, co se děje na spodní hranici dynamického rozsahu mikrofonu, respektive v oblasti nízkých hladin akustického tlaku.
Odkud se bere šum?
Přestože je šum něčím, co si z mikrofonu slyšet nepřejeme, každý mikrofon vždy určité množství šumu generuje. Tomuto množství říkáme vlastní šum. Takový šum vzniká primárně jako následek toku proudu v obvodech (hovoří se o něm také jako o tzv. výstřelovém nebo Poissonově šumu). Problematický je rovněž šum tepelný, nebo-li Johnsonův šum. Zde platí, že čím je teplota vyšší, tím vyšší je i úroveň šumu.
Šumů jsou v podstatě tři typy – blikavý (flicker), výstřelový (shot/Poisson protože má Poissonovu distribuci) a čistě termický (Johnson-Nyquist). Blikavý je způsoben vším možným (nečistoty v materiálu, spontánní generace a rekombinace nosičů náboje v polovodičích) a jeho společnou vlastností je závislost 1/f (= růžový šum). Výstřelový je způsoben projevy diskrétní povahy elektrického náboje a náhodných fluktuacích obvykle stejnosměrného toku tohoto náboje, které lze popsat Poissonovou statistikou, tudíž se více projevuje na vyšších impedancích. Termický šum je způsoben v podstatě tepelnou energií elektronů, roste s teplotou a jeho rozložení energie je do značné míry energeticky frekvenčně nezávislé (= bílý šum).
Šum je dále generován v důsledku přítomnosti vzduchu kolem mikrofonu. Při pohybu molekul vzduchu dochází k „bombardování“ membrány mikrofonní vložky, a tím nakonec i ke vzniku šumu (další tepelný zdroj šumu k ostatním vyjmenovaným zdrojům šumu „čistě elektrické“ povahy). Základní povaha tohoto šumu je širokopásmová, v podstatě odpovídá tomu, čemu říkáme bílý šum. Název „bílý šum“ vznikl jako analogie mezi zvukem a světlem. Podobně jako je bílé světlo tvořeno celým spektrem viditelných barev, také bílý šum obsahuje stejné množství energie na všech zvukových frekvencích.
Co je ekvivalentní úroveň šumu?
Šum je vyjádřen pomocí hodnoty ekvivalentní úrovně akustického tlaku, který by na výstupních svorkách mikrofonu vytvořil srovnatelnou hodnotu elektrického napětí.
Vlastním šumem rozumíme signál, který mikrofon vytváří sám od sebe, a to dokonce i v situaci, kdy není přítomen žádný zvukový zdroj.
Příklad: Mikrofon se vyznačuje ekvivalentní úrovní šumu 22 dB(A). Pokud je citlivost například 20 mV / Pa, výstupní úroveň signálu z tohoto mikrofonu bude přibližně 4 µV. Vzhledem k tomu, že však neexistuje žádný zdroj, který by produkoval signál a mikrofon sám produkuje výstupní signál 5 µV, je šum mikrofonu v takovém případě říkáme, že je to hodnota ekvivalentní šumu externího zvukového zdroje.
Jinými slovy: Máme-li mikrofon s ekvivalentní úrovní šumu 22 dB(A), bude takový mikrofon i v dokonalém tichu (za pokojové teploty) generovat stejné výstupní elektrické napětí, jako ideální bezšumový mikrofon, který by snímal skutečný akustický tlak 22 dB(A) SPL.
Dvě měření? Proč?
Když měříme šum mikrofonu a výsledek prezentujeme v jeho technických specifikacích, používáme k tomu dvě různé metody měření tak, jak to předepisuje norma pro elektroakustická zařízení (IEC 60268-4, část 4: Mikrofony, článek 16.2: Metody měření).
Těmito dvěma metodami jsou měření průměrné RMS hodnoty pomocí váhové křivky typu A a měření tzv. kvazi-špičkové úrovně měřené pomocí váhového filtru typu ITU.
Hodnoty získané pomocí těchto metod se liší a my si vysvětlíme, proč tomu tak je.
Váhování
Pro účely váhování používáme dva různé frekvenční váhové filtry (křivky): váhový filtr typu A a váhový filtr ITU (dříve znám jako CCIR). Tyto křivky jsou si velmi podobné a byly zavedeny za účelem modelování citlivosti ucha k různým frekvencím při nízkých úrovních signálu. Váhové křivky snižují úroveň signálu v oblasti basových frekvencí, avšak v oblasti nad 1 kHz dochází k jejímu zesílení. To platí především u metody s váhovým filtrem typu ITU.
RMS nebo Peak
Pokud měříme úroveň signálu, zpravidla používáme tzv. hodnotu RMS – z anglického „Root Mean Square“ (nebo-li kvadratický průměr). Toto měření vyjadřuje jakousi průměrnou hodnotu, která vychází z výkonu, obsaženého v signálu. Tzv. špičková či maximální hodnota (Peak) potom představuje maximální amplitudu křivky vlnového průběhu (na obou stranách, v kladných i záporných hodnotách), která je nejvíce vzdálena od nulové osy.
Zde je zobrazen průběh signálu, ve kterém je vyznačena špičková (Peak) i „průměrná“ (RMS) hodnota signálu.
Maximální špičková hodnota bude proto vždy vyšší než průměrná RMS úroveň (ledaže by měl signál zcela čtvercový obdélníkový/dvouúrovňový průběh).
Pokud se hovoří o „kvazi-špičkovém“ měření (a nikoliv o „špičkovém“), znamená to, že šířka pásma není nekonečná, ale je omezena na standardní audio rozsah 20 Hz až 20 kHz.
Kvazi-špičková úroveň měřená váhovým filtrem typu ITU je obvykle o 11-13 dB vyšší než průměrná RMS úroveň. Některé méně kvalitní kondenzátorové mikrofony ovšem trpí tzv. „popcornovým syndromem“ a jejich vlastní šum zní, jako když pukají kukuřičná zrna. Jakmile k tomuto jevu dojde, tento rozdíl je větší, protože špičková hodnota přesněji vystihuje jednotlivé „praskající“ impulsy.
Někteří výrobci ovšem uvádějí pouze průměrnou RMS hodnotu vlastního šumu naměřenou pomocí váhové křivky typu A.
Odstup signálu od šumu
Odstup signálu od šumu je u mikrofonu definován s odkazem na referenční hladinu akustického tlaku 94 dB (odpovídá 1 Pascalu). Tato hodnota udává interval mezi 94 dB SPL a RMS hodnotou úrovně vlastního šumu (měřeného váhovou křivkou A).
Poznámka: Poměr mezi úrovní standardního signálu a šumu nesmí být zaměňován s dynamickým rozsahem, který je vždy mnohem vyšší, neboť referencí v tomto případě není SPL 1 Pa, ale maximální SPL, který mikrofon přenese.
Můžeme slyšet signál, který je „utopen“ v šumu?
Níže je uveden příklad, kdy je bílý šum smíchán s tónem na frekvenci 1 kHz. Nevážená úroveň (RMS) šumu přesně odpovídá RMS úrovni 1kHz vlny sinusového průběhu
Při pohledu na amplitudový průběh není sice možné sinusoidu vidět, můžeme ji ale slyšet při přehrávání. Sinusovou vlnu můžeme odhalit také provedením frekvenční analýzy signálu.
Frekvenční měření je provedeno pomocí FFT analýzy, nebo-li rychlé Fourierovy transformace. Použita jsou čtyři různá nastavení:
1 (horní červená křivka) Vzorkovací frekvence: 48 kHz Velikost FFT: 1024 (šířka pásma: 46,88 Hz)
2 Vzorkovací frekvence: 48 kHz Velikost FFT: 4096 (šířka pásma: 11,72 Hz)
3 Vzorkovací frekvence: 48 kHz Velikost FFT: 16834 (šířka pásma: 2,93 Hz)
4 (spodní zelená křivka) Vzorkovací frekvence: 48 kHz Velikost FFT: 65536 (šířka pásma: 0,73 Hz)
V některých případech je možné extrahovat signál dokonce i tehdy, je-li nahrán pod úrovní vlastního šumu (nejedná se však o techniku, na kterou byste se měli zaměřit).
Šum předzesilovače
Použití mikrofonu s nízkou úrovní vlastního šumu vám bude k ničemu, pokud používáte příliš „šumící“ předzesilovač. Mikrofony s nízkou citlivostí mohou vyžadovat výrazné dodatečné zesílení signálu a v těchto případech je za výslednou úroveň neužitečného šumu často zodpovědný právě vlastní šum předzesilovače. To je důvod proč u dynamických mikrofonů je údaj o vlastním šumu uváděn jen zřídka, protože je to právě předzesilovač, který je pro úroveň šumu určující.
Závěr
Ačkoliv je pro nás vlastní šum mikrofonu nežádoucím jevem, jeho přítomnost je přirozeně dána fyzikálními zákony. Minimalizace vlastního šumu je tak na každém výrobci, který by se měl postarat o to, aby byl tento šum co nejmírnější a co nejméně slyšitelný. Správný mikrofon, potažmo správný předzesilovač, si už musí s ohledem na své potřeby vybrat sám uživatel.
Odkazy
[1] IEC 60268-4 Elektroakustická zařízení - Mikrofony
[2] Doporučení ITU-R BS.468-4: Měření úrovně napětí šumu na zvukových kmitočtech…
Chcete poradit s výběrem vhodného mikrofonu pro vaše hraní či zpěv? Nebo si u nás chcete rovnou některý z naší nabídky vyzkoušet?