Směrovost mikrofonů versus směrovost nástrojů Na jaké hudební instrumenty kouli, ledvinu či osmičku?

Směrovost "majků" aneb nejen prezidenti mají laloky

Směrové mikrofony byly zkonstruovány proto, aby dokázaly silněji zaznamenávat zvuk přicházející z jedné strany (např. zepředu) a slaběji potom ze stran ostatních (např. z boku nebo zezadu). Jejich směrová charakteristika je dosažena buď mechanicky či elektricky. Mechanická směrovost funguje díky tzv. labyrintu, kde je díky systému otevřených chodbiček v kapsli pracováno s mírným zpožděním signálů přicházejících ze symetricky totožných stran, a tak se při dopadu na membránu jejich tlak vyrovná - zmenší. Tak ztišíme signály přicházející z boku a kombinací tvaru osmičky se všesměrovou charakteristikou pak můžeme dosáhnout i ztišení zezadu (tvaru ledviny).

U mikrofonu RODE NT 55-MP můžete vyměnit kapsli a tím změnit směrovost. Kapsle vypadají na první pohled shodně, ale liší se vnitřním otevřením chodeb-kanálků. Např. při všesměrové charakteristice budou boční vstupy uzavřeny a při ledvinové otevřeny.

V elektrické verzi, např. back to back se směrovost získává spojováním dvou obvodů fungujících jako "ledviny". Různé proporce obou obvodů jsou spojeny slučováním pomocí tzv. poměrného rezistoru. Tím jsou dosaženy další požadované tvary od koule po osmičku.

Elektrickou cestou můžeme na fantomu měnit i směrovou charakteristiku: mikrofon BV-1 od Avantone Pro má celkem 9 poloh, mikrofon WA-251 od Warm Audio si vystačí jen se třemi.

Pokud chceme zjistit, jakou či jaké má mikrofon směrové charakteristiky, nahlédneme do tzv. směrového (polárního) diagramu. Vlastně do kruhové sítě, kde jsou jednotlivé úrovně vyneseny a odděleny po odstupu 5 dB. Na 2D grafu tak můžeme díky tzv. směrovým lalokům lehce spatřit, v jaké intenzitě mikrofon zaznamenává zepředu, z boku i zezadu.

Směrový graf bývá standarně rozdělen po 5 dB, polární graf RODE NTG4+ je ale vynesen mnohem detailněji, po 2 dB skocích. Všimněte si, jak se v pásmu 16 kHz výrazně zúžila směrovost.

Pozor: 2D polární graf je schématický a pracuje s intenzitou (dB), ne délkou. Znamená to, že s takovýmito dynamickými odstupy na různých frekvencích přichází signál do rozměrově velmi omezeného prostoru. Na kapsli půl až dvou a půlpalcovou. Pro zjednodušení do jednoho bodu. A navíc díky izotropnímu charakteru vzduchu (stejná rychlost ve všech směrech) přichází sice jako rovinná vlna, ale sloučená ze 3D prostoru, ze tří rovin. Jediné, co vytváří akustický stín, je tělo mikrofonu. Tam se ale úbytek projevuje až na horní hranici lidského slyšení, takže je zanedbatelný.

Souvisí směrová charakteristika s frekvenční odezvou?

Souvisí a to hlavně kvůli mechanickým vlastnostem vln šířících se vzduchem. U nejnižších kmitočtů převládá tzv. vliv poddajnosti, u středních kmitočtů vliv mechanického odporu a u kmitočtů vyšších pak vliv hmotnosti. Na základě těchto vlastností převládá jiná mechanická impedance, která formuje intenzitu v jednotlivých frekvenčních pásmech: basech, středech, výškách.

Šířka a směr laloků určuje celkovou směrovou charakteristiku mikrofonu.

Letem světem od všesměrové po úzce směrovou

A jaké směrovosti máme k dispozici? Představme je na ose jdoucí od rovnoměrného snímání ze všech stran až po velmi úzké zaměření – snímání v jednom úzkém směru.

Všesměrový mikrofon: koule, omni je akusticko elektrickým měničem nultého řádu (závisí na tlaku). Zaznamenává rovnoměrně zvuk přicházející ze všech stran. Obvykle „nabírá“ silněji basy (dlouhé vlny) a také přesněji vykreslí ambienci prostoru.

Bipolární mikrofon: osmička, bidirectional je akusticko elektrickým měničem prvního řádu (důležitou se stává rychlost), zaznamenává stejně intenzívně signály přicházející zepředu a zezadu, signály z boku však ztišuje.

Ledvinový mikrofon: kardioida, ledvina vznikla kombinací koule a osmičky, a proto o mikrofonu hovoříme jako o měniší vyššího, n-tého řádu. Ledvina je uživatelsky velmi exponovaná, zaměřuje se totiž na přední signály, zvuk z boků pak zeslabuje a razantně ztišuje zvuk přicházející zezadu. S jejími mechanickými vlastnostmi souvisí i její frekvenční charakteristika, mikrofon není obvykle pevný v basech.

Subkardioidní mikrofon: je hybridem, mezistupněm mezi koulí a ledvinou, omezuje signály přicházející z boku a zezadu, ale ne tak výrazně jako ledvina.

Super a hyper kardioidní mikrofon je znovu mezičlánkem mezi ledvinou a osmičkou, zaznamenává silně zepředu, ale vzadu stále zůstává užší lalok: u super kardioidy menší a užší, u hyper kardioidy širší a delší.

Ribbonové mikrofony se vyznačují osmičkovou ucharakteristikou. Nalevo Avantone Pro CR-14, napravo NTR Rode.

Tip1: Osmičku můžeme využít pro snímání páru nástrojů či zpěváků, ale také v případě párových mikrofonních technik nám při otočení o 90° umožnuje rozšířit stereo obraz výrazněji do boků.

Úzce směrový mikrofon: shotgun patří ještě do vyššího směrového řádu. Dokáže se zaměřit na omezený úsek prostoru, typicky bývá užívaný ve filmu, kdy potřebujeme izolovat hlas herce od okolních ruchů. Daní za úzkou směrovost bývá frekvenční charakteristika ořezána do určité míry v basech i nižších středech.

Shotguny, aby zaschytily detail, jsou velmi úzce směrové.

Nevyzpytatelná směrovost nástrojů?

Nástroj nefunguje tak, že by vyzařoval zvukovou energii z jednoho úzkého bodu a rovnoměrně v rovině vodorovné i svislé. Vyrovnanější zvukový obraz, kulová vlna se ustaluje až v určité vzdálenosti od nástroje. Především záleží na tom, jaké má nástroj rozměry, jaký rozsah a jak velkou energii kudy vyzařuje. Kompletnější 3D (všesměrová) aura zvukové energie, tedy i témbr se např. v mnohem kratší vzdálenosti (i rychleji) ustálí u sopraninové pikoly (cca už po 50 cm) než u skoro 3 metry dlouhého koncertního křídla jdoucího od subkontra oktávy až po oktávu čtyřčárkovanou (u křídla se barvy srovnají v kompaktnější celek třebas až po 3-5 metrech).

Samozřejmě, že záleží na tvaru vlastního nástroje, a tím i kde vyzařuje jakou energii. V zásadě u nástroje rozlišujeme 4 důležité části: budič energie, neboli excitátor (smyčec, palička, trsátko, ale i vzduch z plic). Excitátor nehraje v případě směrovosti zásadní roli. Oscilátorem (strunou, plátky, blánou, kameny) rozumíme tu část instrumentu, která kmitá a své kmity přenáší na další díly nástroje nebo na vzduch, který tyto kmity přebírá a dál šíří kulovou vlnou. Tato energie již proniká i do vnější aury a podílí na vlastní barvě nástroje. Může v auře nástroje vévodit, anebo mít podružnou roli. Velmi totiž záleží, kam umístíme jaký mikrofon.

Tip2: Obvykle, pokud umístíme kapsli mikrofonu blízko oscilátoru (např. ke hraně v hlavici příčné flétny, nebo kamenu marimby z boku, aby nenabíral barvu jdoucí z rezonátorové trubice pod kamenem), posílíme tím perkusivní charakter nástroje, především fázi attack. Naopak nám bude chybět plná barva fáze sustain, na které se již výrazně podílí rezonátor.

Malomembránové mikrofony - tužky s ledvinovou či superkardioidní charakteristikou mají tu výhodu, že je můžete snadno přiblížit k místu nástroje, které potřebujete nahrát silněji. Nalevo WA-84 od Warm Audio, napravo RODE TF-5.

Tip3: Pokud použijeme úzce směrový mikrofon a namíříme jej tak, aby v jeho ose nebyla ani rezonanční skříň ani vyzařovací otvor nástroje, získáme čistou ingrediencí vybuzení tónu (mlask velkého bubnu, trsnutí, úder kladívka, nasazení u dřevěných dechových nástrojů). Tato ingredience pak výrazně posílí rytmus, frázování, ale částečně i obrys melodií či figur).

Třetí a pro směrovost už velmi důležitou částí hudebních nástrojů je rezonátor (např. korpus/rezonanční skříň u strunných nástrojů, stěny píšťal, korpus u bicích nemelodických nástrojů, trubice u melodických bicích nástrojů atd.). Rezonátor totiž přebírá signál a tím i barvu generovanou oscilátorem a posiluje ji v určitých frekvenčních pásmech – basech, středech, výškách (záleží hlavně na rozměrech rezonátoru v souladu s vlnovou délkou signálu).

Žebroví nástroje vytváří mechanické rezonanční módy, které kolmo vyzařují a vytvářejí ze začátku rovinnou vlnu. Díky nim přední i zadní deska posilují na různých místech jiná frekvenční pásma (nižší či vyšší středy, nižší výšky apod.). Pokud víte, jak je nástroj uvnitř uspořádán, můžete patřičnou barvu pozicí mikrofonu a jeho směrovostí přirozeně posílit. Pokud nevíte, zkuste to odhadnout ušima!

Všimněme si podrobněji stěn rezonančních skříní či píšťal a to pokud jde o jejich tloušťku i hustotu. Platí pravidlo, že tenčí či lehčí (méně hustá) stěna se mnohem snadněji rozkmitá (potřebuje k vybuzení méně energie) a tím rezonančně výrazněji podpoří frekvenční pásma odpovídající vlnové délce, která je v souladu s rozměry rezonanční skříně. Naopak stěna tlustá či těžká (s vysokou hustotou) přestává rezonančně fungovat. Energie oscilátoru (struny, vzduchového sloupce ad.) nestačí, aby ji rozkmitala.

Důležité je, že rezonátor nevyzařuje všemi směry stejně, ale díky častému rovinnému vyzařování vytváří rovněž laloky. Např. u akustické kytary, ale i u smyčců a dalších strunných to funguje tak, že přední deska vyrobená z měkčího smrkového dřeva (s vysokou akustickou konstantou) podpoří silně celé široké frekvenční pásmo: od basů až po výšky. Naopak zadní deska vyrobená z tvrdšího a tím i těžšího dřeva (javor, palisandr, mahagon aj.) už nepropustí vyšší spektra, ale obvykle jen basy.

Směrovost nástrojů se meří v bezodrazových místnostech - na fotu jen v jedné vertikální rovině. Ve vyšších pásmech (graf napravo) se začínají vytvářet zřetelné laloky - není pak zcela jedno, kam mikrofon u lesního rohu postavíme. 

Tento princip platí univerzálně pro velké množství jiných nástrojů: klavíry, cembala, cajony ad.

Tip4: Pokud chcete u strunných nástrojů získat od basů po výšky plný, ale zároveň i jiskrný signál s přirozenou ostrostí a jasností (ne „vycucanou“ ekvalizérem), namiřte mikrofon na přední rezonanční desku. Pokud toužíte nahrát přirozeně co do výšek zastřenou a tím i hutnou či dutější barvu, postavte mikrofon k zadní rezonanční desce nástroje. Pozor na protifáze!

Tip5: Díky žebroví a tím i dílčím mechanickým rezonančním módům nacházejícím se na rezonanční desce záleží, jaké laloky ve kterém místě deska vyzařuje. Jinou barvu potom získáte úzce směrovým mikrofonem, který „vyzobne“ a izoluje třebas jen jeden úzký lalok a tím i jeden vyšší formant. Jinou barvu pak mikrofonem všesměrovým (omni koulí), která nabere díky své charakteristice laloků více.

Kulatý vyzařovací otvor u kytary (ozvučnice) podpoří spodní basová pásma. Díky nižší hustotě vzduchu a tím i nižší rychlosti zvuku v něm (oproti vyšší rychlosti ve dřevu). Nalevo Rode NT1-A zaznamená vzdálenějí průnik laloků z horní desky a ozvučnice, napravo iRig Acoustic od IK Multimedia rovněž podobný průnik, ale snímaný mnohem kontaktněji.

Poslední a pro směrovost skoro nejdůležitějším dílem hudebního nástroje je tzv. zářič neboli radiátor (roztrub u dechových nástrojů, efa u smyčců, kulatý vyzařovací otvor u kytary, spodní a horní otevřený otvor u bubnů atd.). Je to vlastně otevřená část instrumentu, kterou ven proudí největší množství energie. Záleží na řadě parametrů ovlivňujících, co radiátor ve spektru posílí: velikosti a tvaru otvoru/ozvučnice (ta se podílí na nejvyšším bodu/zesílení v rezonanční křivce), na tvaru rezonanční píšťaly v celé její hloubce (píšťala může být chápána i jako kompletní zářič).

Tip6: Pokud budou mít píšťala/polouzavřená trubice a její roztrub tvar válce, posílí se ve spektru liché harmonické složky a vznikne vyzařovací lalok úzce směrový (panova či indická flétna). Pokud půjde o trubici ve tvaru kužele, přibydou i složky sudé a tvar laloku se rozšíří (hoboj). Jestliže začne píšťala obsahovat i tvary exponenciální, nejvíce se to děje u roztrubu, spektrum se zúží a posílí v basech, lalok naroste do stran (žestě). Šířka laloku pak souvisí s exponenciálním zdvihem (rozšířením roztrubu). Pokud bude malý, lalok bude úžeji směrový a spektrum široké (bryskní trubka). Pokud půjde o zdvih strmější a razantnější rozšíření roztrubu, lalok rovněž do stran naroste, spektrum se zúží a barva změkne (hebká horna).

Pozn: na stejných principech funguje exponenciální tvar reprobeden - výškových horen.

Pozor: U dechových nástrojů dřevěných nezapomeňte, že u nich vzniká vyzařovací lalok i nad každou otevřenou klapkou či dírkou, nejen u roztrubu. U žesťů je to pak jednoduché, tam jen u roztrubu.

Na rámu jsou kolem křídla rozvěšeny mikrofony, které zaznamenávají intenzitu ve směru, kde se nacházejí. Rám se dá výškově posouvat a tím zaznamenávat i 3D obraz.

Kompletní aura: tak kam ho postavit?

Tyhle všechny dílčí barvy se pak samozřejmě slévají v jednu kulovou auru kolem nástroje. Podle jakých kritérií se tedy řídit, která barva je nejlepší či nejvhodnější?

Kritérií existuje samozřejmě hodně a stěžejní je posluchač. Ale i tam je to už dnes komplikované. Ve vážné hudbě funguje vzdálenější snímání, aura, kde se již jednotlivé témbry slily. A zde pak vstupuje do hry i tzv. ambience, tj. odrazy a dozvuk prostoru. Někdo jí rád méně, někdo více. Navíc v případě komorních a orchestrálních těles se hřiště rozšiřuje o hodinářskou práci s tzv. mixturami, tedy vytváření barev jednotlivých sekcí a pak celého tělesa.

Vážná hudba dává přednost vzdálenějšímu snímání nástroje. Pozice mikrofonu NT55 od Rode šikmo nad horní deskou dává z hlediska estetiky komorní hudby věrnější zvukový obraz.

Oproti tomu se už dávno prosadilo snímání kontaktní, které může být na oscilátor, na různá místa rezonančních desek, v různých pozicích vůči radiátoru. Funguje jinak v jazzu, jinak ve folku, country, popu ad. No a tyhle prvky pak zpětně pronikly i do hudby vážné či symfonické (vždyť se dnes „symfoňák“ běžně na jevišti snímá třeba 80 ti kontaktními „klopáky“ a mixtura se pak vytváří až dodatečně elektronicky).

Tip7: Důležitým místem při umístění kontaktního mikrofonu může být v případě strunných nástrojů kobylka: je vlastně impedančním převodníkem, kterým zahradíme energii, jež se v kobylce kumuluje (naroste intenzita), ale také se barevně mění – obvykle přibývají středová a vyšší pásma i drobná zkreslení.

Fyzika ti dá vždy na frak aneb principy jsou principy

Přesto díky hudební i obecné akustice i nauce o akustických měničích fungují základní principy, které nám pomohou při rozhodování.

Aura nástroje v hlubších polohách bývá všesměrová. Odpovídajícím způsobem ji naberou všesměrové mikrofony. Pozor však v uzavřeném prostoru, zde všesměrový mikrofon může zaznamenat nechtěné příměsi odražené od stěn.

V případě izolovaných hlubších poloh nemusí tolik záležet, ze kterého směru nástroj zaznamenáváme.

Pozor na ribbony, páskové mikrofony! Mají směrovou charakteristiku tzv. osmičky a frekvenční odezvu razantnější na basech (díky mechanickým vlastnostem pásky). Pokud je pro posílení basů namíříme na nástroj jejich prvním směrovým lalokem, druhý může nechtěně přidávat na ambienci místnosti.

V spodních pásmech vyzařuje nástroj zvětšiny směrově. Sedne jim proto i kulová charakteristika mikrofonu.

Aura nástroje ve středních pásmech bývá už směrovější, byť jsou laloky širší. Hodně v tomto případu záleží, jaké rezonanční desky kam vyzařují energii středních pásem – obvykle dopředu nebo mírně nahoru (housle a violy). Rovněž zde svou silnou úlohu hrají (hodně u žesťů) různě široké radiátory (roztruby).

Tip8: Pro širší laloky a střední pásma je ideální směrovou charakteristikou mikrofonů tzv. kardioida - ledvina. Průniky ledviny (vlastně také širšího laloku) se širšími laloky hudebního nástroje jsou četné a tím i zaznamenaná barva hutnější.

Vysoká pásma se vyznačují laloky úzkými, a tím i vysoce směrovými. Mohou se týkat úzkých roztrubů i úzkých vyzařovacích otvorů, ale také samostatně snímaných oscilátorů. Mikrofonem s úzkou směrovou charakteristikou je dokážeme izolovat. Pokud použijeme na tato pásma kardioidní ledvinovou charakteristiku či kouli, mohou nám do signálu vstoupit i laloky boční, které se díky široké barvě (přítomné ve výškách) budou s čistou ingrediencí (např. trsnutím, smykem, šumem roztrubu flétny, šumem struníku) křížit.

Ve středních pásmech (nalevo) se začínají tvořit laloky směrovější, v horních (napravo) pak úzce směrové.

Nezapomeňte na akustický stín hráče

Samozřejmě, že hráč vytváří akustický stín, ten se projevuje hlavně stíněním krátkých vln, tedy vyšších pásem ve spektru. Tedy čím polohově vyšší nástroj (sopraninové a sopránové polohy), tím se akustický stín interpreta projevuje víc.

Tip9: Akustický stín hráče můžete u sopraninových nástrojů využít pro izolaci nechtěných přeslechů v totožných výškových pásmech, ve kterých zní jiný nástroj.