D.72
Mikrofoons, versterkers en luidsprekers
en de consequenties voor het akoestisch ontwerp van een muziekzaal

Samenvatting: mikrofoons en zaalversterking in muziekzalen

• Toepassing van mikrofoons, versterkers en luidsprekers is goed mogelijk sinds 1925:

• maar de zaalakoestiek voor klassieke muziek is dan al lang uitgekristalliseerd,

• en ook het ontstaan van moderne klassieke muziek is ouder.

• Mikrofoons in muziekzalen worden toegepast voor twee doeleinden:

• voor het opnemen van geluid voor weergave elders (radio, TV, plaat en CD),

• voor zaalversterking, dus weergave in de muziekzaal zelf.

• In de klassieke muziek wordt de eerste mogelijkheid ruimschoots toegepast, maar zaalversterking is nog steeds min of meer taboe.

• In de lichte muziek werden mikrofoons direct na 1925 wel omhelsd. De komst van de zaalversterking heeft de lichte-muziekzaal zelfs ingrijpend veranderd.

• De verhouding tussen direct geluid en nagalm kan worden beïnvloed met de afstand tussen geluidbron en de mikrofoon. Bij opnamen wordt daarvan gebruik gemaakt.

• Echter, in een muziekzaal met versterking liggen de plaats van zaalluidspreker en toehoorder vast. Vrijwel altijd is die afstand dusdanig groot dat de toehoorder zich bevindt in het galmveld van de luidspreker.

 

1.    Lichte versus Klassieke muziek, of liever: wel of niet elektronische versterking

1.1    Mikrofoons bij een mismatch tussen geluidbron en zaal

In de beide voorgaande webpagina’s D.70-A en D.70-B zijn muziekzalen behandeld voor onversterkte muziek. Dat wil zeggen: er wordt géén gebruik gemaakt van mikrofoons, versterkers en luidsprekers om het geluid in de zaal ten gehore te brengen. Mikrofoons worden alleen gebruikt voor plaat- radio- en TV-opnamen. Volgens musici en luisteraars leidt elektronische versterking tot kwaliteitsverlies van het geluid van afzonderlijke instrumenten, ensembles en/of orkesten.

Bij veel klassieke muziek is versterking ook helemaal niet nodig. Een gebruikelijke concertzaal voor ca. 2000 toehoorders en een gebruikelijk symfonieorkest van ca. 100 musici zijn uitstekend op elkaar afgestemd. We hebben eerder laten zien dat dat historisch zo gegroeid is. Eenzelfde afstemming tussen een kleinere concertzaal en een kleiner ensemble is te vinden bij kamermuziek. In operazalen, zoals behandeld in webpagina D.71, wordt alleen in noodgevallen een vorm van zaalversterking toegepast.

In de voorgaande webpagina’s zijn al enkele mismatches in de klassieke muziekpraktijk genoemd: een zanger(es) plus piano hoort in een kleine zaal indien onversterkt wordt gezongen, maar de mensen achter de kassa prefereren een grote zaal vanwege de revenuen; geluidversterking is in dit soort gevallen taboe. Er zijn echter wel degelijk ensembles die in een grote zaal versterking gebruiken. Met name in de hedendaagse klassieke muziek is men wat milder over zaalversterking. Die dient dan om het signaal te versterken, maar ook om de balans tussen de musici te verbeteren [[1]].

Echter, het zwaartepunt van de zaalversterking ligt in zalen voor "lichte muziek", van nachtclub tot voetbalstadion. De invloed van de elektronica is daar zo groot dat de akoestiek van dit soort muziekzalen thans wezenlijk anders is dan in de periode voor de mikrofoon. Dergelijke zalen zullen worden behandeld in webpagina D.74. Hier wordt de techniek zelf globaal behandeld, echter uitsluitend voor zover dat invloed heeft op de zaalakoestiek. Voor de eigenlijke techniek van mikrofoon, versterker en luidspreker is binnen deze site geen plaats.

 

1.2    Wat geschiedenis: de mikrofoon is relatief jong

Tegenwoordig ziet men in de populaire muziek op een podium soms meer mikrofoons dan musici. Maar mikrofoongebruik is een relatief jong verschijnsel, zeker indien het wordt vergeleken met de ontwikkeling van concertzalen voor klassieke muziek. We zullen de geschiedenis hier kort uiteenzetten [[2]].

Figuur 1:  Het Griekse ensemble Kompanía treedt op voor het VPRO-programma "Vrije Geluiden". Alleen de linker musicus heeft geen zangmikrofoon. Verder heeft iedereen ook een mikrofoon om het geluid van het instrument op te nemen. Negen mikrofoons dus voor vijf mensen en wellicht wordt met extra mikrofoons ook nog wat galm van de zaal opgepikt.

 

In het jaar 1877 werd de telefoon gepatenteerd door Alexander Graham Bell. Dat wordt vaak beschouwd als een mijlpaal in de geschiedenis van de techniek, maar een mikrofoon en luidspreker zijn daartoe onmisbaar. Minstens zo belangrijk is daarom de uitvinding van de koolmikrofoon (carbon microphone in het Engels) die ook in 1877 werd gepatenteerd maar al een paar jaar eerder was uitgevonden en gedemonstreerd. De mikrofoon zet daarbij de luchtdrukverschillen van geluid om in een elektrisch signaal. Een luidspreker zet juist een elektrisch signaal om in hoorbaar geluid; in de beginjaren was een luidspreker niet veel anders dan een omgekeerde mikrofoon. Het elektrische signaal kan via draden worden overgebracht en sinds 1896 ook draadloos via een zender en ontvanger. De toepassing van deze techniek bleef in de beginjaren beperkt tot de overdracht van spraakberichten; de kwaliteit van het signaal was al te slecht voor muziek.

In 1878 werd patent aangevraagd op de voorloper van de grammofoon. Het geluid van een koolmikrofoon was echter slecht en de vacuüm-versterkerbuis bestond nog niet. Er is daarom een systeem gekozen waarbij de geluidtrillingen worden opgepikt door een hoorn die via een metalen membraan een naald aandrijft die op zijn beurt trillingen schrijft in een wasrol. Aan de andere zijde van de keten wordt het signaal afgetast door een overeenkomstige naald die een membraan aanstoot van een overeenkomstige hoorn. Sinds 1895 worden wasrollen vervangen door vlakke platen zoals we die nog steeds kennen, hetgeen in 1902 uitmondt in de eerste million-seller: de Italiaans operatenor Enrico Caruso [[3]]. Genoemde uitvindingen zijn van groot belang voor de verspreiding van muziek, maar grammofoons waren duur en geen gemeengoed. De grootste popularisering ontstond door de brede introductie van de radio rond 1920.

 

Voor de zaalakoestiek is vooral de periode vanaf 1925 belangrijk. Zowel voor mikrofoon als luidspreker wordt dan het "moving-coil"; principe uitgevonden: een spoel (Engels: coil) beweegt in een magnetisch veld [[4]]. In de mikrofoon wordt het spoeltje aangedreven door een trillingevoelig membraan waardoor elektrisch spanningen ontstaan, in een luidspreker wordt het mogelijk om met elektrisch spanningen grote oppervlakken aan te drijven bij relatief hoge rendementen [[5]] [[6]]. Deze "elektrodynamische" mikrofoons (dit is de minder accurate Nederlandse term) worden nog steeds op grote schaal gebruikt al vindt men sinds 1960 een toenemend gebruik van condensatormikrofoons en sinds 1970 van kleine, goedkopere elektreetmikrofoons. In luidsprekerland is het aandeel moving-coils nog steeds overweldigend. Alternatieven (condensator-, ribbon- en zelfs vlamluidsprekers) worden vaak hogelijk gewaardeerd in hifi-kringen maar het verkoopaandeel is marginaal. Ondertussen is ook de vacuümbuis, nodig voor de versterking van het elektrische signaal, tot volle wasdom gekomen en zo is het na 1925 mogelijk om een keten mikrofoon-versterker-luidspreker in een zaal te plaatsen en het signaal van één of meerdere musici te versterken.

Door de elektronische versterking wordt ook het opnemen van grammofoonplaten en radio-uitzendingen een stuk hoogwaardiger. Maar het signaal is dan vrijwel altijd live; handige opnameapparatuur met bandrecorders komt pas na 1947 breed ter beschikking. Het is echter vanaf 1926 wel mogelijk om het elektrische signaal in een optisch signaal om te zetten dat kan worden geschreven op de rand van een film. De geluidfilm neemt vanaf dat moment een geweldige vlucht maar voor pure muziekregistratie raakt deze optische methode nooit in gebruik.

 

1.3 Mikrofoons in de klassieke concertzaal

Als we 1925 beschouwen als het geboortejaar van de elektroakoestiek, zien we dus dat het een jonge telg is. Mozart, Beethoven en Mahler zijn al lang dood en de beroemde concertzalen zijn al gebouwd rond 1900. Zelfs het geboortejaar van de "hedendaagse klassieke" muziek ligt vóór 1925. Het wordt meestal gekozen in 1913 als in Parijs Le Sacre du Printemps van Igor Stravinsky in première gaat [[7]]. De zaalakoestiek heeft zich dus ontwikkeld zonder mikrofoons en ook in de eenentwintigste eeuw worden mikrofoons in de klassieke muziek vooral gebruikt voor geluidopnamen. Daarbij worden kleine wonderen van opnametechniek verricht en het is ook eigenlijk de luidsprekerkant die in de klassieke wereld een kwade reuk heeft. Het is nog vrijwel onmogelijk om met luidsprekers de klank van een concertzaal na te bootsen. Of liever: het kan wel, getuige de mooie klank van bijvoorbeeld 5.1-systemen of de reproductie door virtuele systemen met meerdere luidsprekers, maar die systemen zijn nogal kleinschalig. Bij 5.1 in de woonkamer is meestal maar één luisterplaats geschikt. In een virtueel systeem met grote aantallen luidsprekers rondom de luisteraar(s) kan men een beetje rondwandelen, maar het zal toch nog wel even duren voordat 2000 mensen tegelijk kunnen worden bediend. In de zaal zelf worden versterkersystemen nog steeds alleen in "noodgevallen" toegelaten. In de volgende webpagina D.73 over variabele akoestiek wordt daar wat nader op ingegaan.

 

1.4 Mikrofoons in de lichte muziek

Populaire muziek heeft altijd bestaan, maar het neemt pas een grote vlucht na de introductie van de grammofoon; de start ligt dus rond 1900 in de Verenigde Staten. Ook deze muziek moet het dus nog een kwart eeuw zonder zaalversterking doen, maar als de techniek daartoe de mogelijkheden geeft wordt die ook snel omarmd. In de muziekzaal wordt vooral de "solistenmikrofoon" gemeengoed. Rond 1930 wordt swingmuziek mateloos populair, maar zangers, zangeressen en solo-instrumenten moeten dan zien op te boksen tegen een vijftienmans orkest op volle sterkte en zaalversterking geeft daartoe de mogelijkheid.

 

In feite wordt hier dus een eerste poging gedaan om de onbalans tussen verschillende instrumenten te verkleinen. En niet alleen zangers hadden het moeilijk in een bigband, ook een zacht instrument als een gitaar dreigde te verdwijnen. Om die reden experimenteerde Charlie Christian vanaf 1936 met een gitaar die elektrisch werd versterkt (een Gibson ES-150) [[8]]. En die trend heeft zich almaar sterker doorgezet. In de naoorlogse combojazz, bijvoorbeeld, was de contrabas niet opgewassen tegen het drumstel en werden pogingen gedaan om de bas te versterken [[9]]. Tegenwoordig hebben veel populaire orkesten bij iedere stoel een mikrofoon of worden instrumenten rechtstreeks elektrisch versterkt. Via een mengpaneel worden dan de verschillende instrumenten in balans gebracht.

Figuur 2:  Duke Ellington met zijn orkest in München in 1963.

In bijna vier decennia is de mikrofoonopstelling voor dit orkest niet wezenlijk veranderd. In het midden staat een solistenmikrofoon (dubbel, voor de zekerheid); de mikrofoon bij de piano is vooral om Ellingtons aankondigingen te versterken.

Foto: Wikipedia.

 

2.    De plaats van de mikrofoon(s) in een muziekzaal

2.1    Nagalmverdrinking

Frank Zappa (1940- 1993) is het belangrijkste muzikale dubbeltalent van de twintigste eeuw; hij combineerde het componeren van moderne klassieke muziek met het spelen van zijn eigen werk op rockpodia. In april 2011 worden enkele van zijn klassieke werken uitgevoerd in de grote concertzaal De Doelen (in Rotterdam) door een klein orkest met spreekstem(men). De sprekers zijn klassiek geschoold en hun volume is groot genoeg om de zaal te vullen en toch gaat het mis. Volgens een recensie in de Volkskrant is de lange nagalm van de zaal niet helemaal geschikt voor deze muziek, maar dat is slechts een eufemisme voor een ernstig geval van nagalmverdrinking. Het is niet eens hinderlijk dat de teksten niet te verstaan zijn, dat is ook in de meeste opera-uitvoeringen het geval. Het is vooral de galm die de puntige teksten laat zweven. De vele Zappa-fans gaan teleurgesteld naar huis [[10]].

 

Van de uitgevoerde werken zijn ook CD’s te koop en die klinken voortreffelijk [[11]]. Hoe kan dat?

De oplossing bij een opname in een studio is vrij eenvoudig: de sprekers krijgen bij de opname een eigen mikrofoon op korte afstand van hun mond waardoor vooral het directe geluid wordt opgepikt. Dicht bij de mond is dit directe geluid veel sterker dan het galmaandeel. Figuur 3 is een aangepaste versie van figuur 1 uit webpagina B.10. Die geeft de bijdragen van het directe geluid en de nagalm als functie van de afstand tussen de geluidbron en een mikrofoon. Door de afstand te variëren is de verhouding tussen beide aandelen in te stellen. Een overmaat aan galm kan dus worden bestreden met een mikrofoon dicht bij de bron. Het kan zelfs gebeuren dat het signaal van de spreker "te droog" (dus met te weinig nagalm) wordt gevonden. De geluidtechnicus neemt dan nog wel eens zijn/haar toevlucht tot elektronische nagalm en indien met mate gebruikt gaat dat prima. In de klassieke wereld is het zelfs gebruikelijk om het directe signaal te mengen met dat van een tweede mikrofoon die op grotere afstand staat en dus vooral het galmveld oppikt [[12]].

Figuur 3:  De bijdragen van direct geluid en nagalm in een zaal van 16 × 12 × 5 m³. De afstand waarbij de curven elkaar snijden is 1.78 m. De sterkte langs de verticale as is op spraakniveau en verandert bij een ander muziekinstrument. Echter, de onderlinge verhouding tussen de rode en de groene lijn blijft gelijk en daar gaat het hier om. Voor meer informatie over de berekening van beide curven: webpagina B.10.

 

2.2    Helaas, mikrofoons en zaalversterking helpen niet in een galmende zaal

De concertganger zit aan zijn/haar stoel gekluisterd en heeft niets te kiezen tussen direct en galm; slechts bij uitzondering vindt men in een concertzaal plaatsen waar het directe geluid sterker is dan de nagalm [[13]]. Met nadruk wordt er daarom op gewezen dat het in bovengenoemd Doelenconcert niet had geholpen om de sprekers een mikrofoon te geven. Immers het geluid moet dan via luidsprekers in de zaal ten gehore worden gebracht en ook dan zit het publiek op een relatief grote afstand van een luidspreker. Die luidspreker is de sterkste geluidbron en stoot dus alsnog het galmveld aan van de zaal. De problemen zijn dus nog precies hetzelfde als bij de onversterkte zangers.

Het had ook niet geholpen om de goed klinkende CD in de grote zaal af te draaien via het luidsprekersysteem; de Doelenzaal had er te veel galm aan toegevoegd en er is in dit geval maar één oplossing: de CD dient te worden afgedraaid in een ruimte die zelf zeer weinig galm kent. Maar in zo’n zaal had ook het Doelenensemble plus sprekers op kunnen treden, onder voorwaarde dat ruimschoots met mikrofoons was gestrooid, dus precies zo als in de CD-opname. Dat is nu juist wat er gebeurt in een moderne zaal voor popmuziek: geluidweergave via luidsprekers in een zaal die zo min mogelijk galmt. Galm draagt wel degelijk bij aan de schoonheid van de klank, en daarom wordt er in de populaire muziek galm uit de computer aan toegevoegd. Galm toevoegen kan wel, galm verwijderen (nog?) niet. In webpagina D.75 zal dieper worden ingegaan op muziekzalen voor populaire muziek.

 

Het is gelukkig ook weer niet zo somber dat zaalversterking in alle gevallen faalt. Het helpt nl. als een luidsprekersysteem sterk wordt gericht op het publiek. Webpagina B.23.4 behandelt elektronische versterking van spraak en die theorie geldt ook bij muziek. De rode lijn in figuur 3 is berekend met een rondomstralende bron, dus de richtingscoëfficiënt Q = 1. Bij sterkgerichte bronnen gaat de waarde van Q omhoog (maar achter de luidspreker flink omlaag) en schuift de rode lijn omhoog waardoor het snijpunt van de rode en de groene lijn naar rechts schuift en een goede hoorbaarheid van het direct voor meer plaatsen in de zaal wordt bereikt. Het blijft echter een “noodmaatregel”; een uitvoering in een zaal op maat houdt de voorkeur.

 

Deze webpagina is als pdf te downloaden, klik hier

 

 

---