Effetto di prossimità nei microfoni - come influenza le diverse sorgenti

L'effetto prossimità è ben noto alla maggior parte dei tecnici del suono. La voce del cantante ha più corpo quando il microfono si avvicina alla bocca e, man mano che il microfono si allontana, il suono si assottiglia.

L'effetto prossimità esiste solo con microfoni a gradiente di pressione – cardioide ampio, cardioide aperto, cardioide, super-cardioide, iper-cardioide, figura di otto – e similari. Pertanto, più il modello di direzionalità si avvicina a una figura di otto, maggiore è l'effetto prossimità riscontrato. Inoltre, l'effetto di prossimità è più forte in asse. Se si gira il microfono, l'effetto di prossimità si riduce.

La Figura 1 mostra un calcolo dell'effetto di prossimità dei microfoni con due diversi modelli direzionali: una figura a otto e un cardioide. Entrambi i microfoni in asse di fronte a una sorgente puntiforme. 

Figura 1. I diagrammi mostrano l'effetto prossimità di due microfoni a gradiente, una figura a otto e un cardioide. Confrontiamo l'aumento della gamma bassa dei microfoni intorno ai 100 Hz. L'effetto prossimità è molto più alto nel microfono a figura-otto (bidirezionale) rispetto al cardioide.

Si noti che l'effetto di prossimità, per caratteristiche di progettazione, talvolta fornisce una risposta piatta quando il microfono è vicino alla sorgente (come nei microfoni vocali) – o fornisce una risposta piatta quando il microfono si trova a più di 1 metro di distanza dalla sorgente sonora (in registrazione a distanza o simili). Per questo motivo, quando si valutano queste informazioni nei microfoni direzionali a gradiente (ad esempio nelle specifiche tecniche), deve essere indicata la distanza alla quale la risposta in frequenza è neutra/piatta. 

Teniamo anche presente che i microfoni a pressione (omnidirezionali) non presentano effetto prossimità! Questo perché il suono è ripreso solo nella parte anteriore del diaframma. Un microfono a pressione è fondamentalmente un diaframma davanti a una camera chiusa.

Le sorgenti sonore

L'effetto prossimità dipende anche dalla sorgente sonora. Una sorgente puntiforme genera un campo sonoro sferico in cui l'SPL cala di 6 dB al raddoppio della distanza. Un microfono a gradiente vicino a una sorgente puntiforme (<1 m) sente già l'effetto prossimità. Se, tuttavia, la sorgente sonora è una sorgente piana (infinita) o una sorgente puntiforme a una certa distanza (>1 m), non esiste praticamente alcun effetto di prossimità.

Figura 2. Una sorgente puntiforme è essenzialmente una sorgente sferica adimensionale. Una certa quantità di energia sonora viene generata e distribuita uniformemente in tutte le direzioni allontanandosi dal punto. Più ci si allontana, più il suono perde intensità. L'energia sonora, infatti, viene distribuita in un'area sempre più ampia (divergente) all'aumentare della distanza dalla sorgente. Il microfono capta -6 dB ad ogni raddoppio della distanza.

L'SPL di una sorgente puntiforme ideale perde 6 dB ad ogni raddoppio della distanza. 
L'SPL di una sorgente lineare invece perderà 3 dB ad ogni raddoppio della distanza. 
L'SPL di una sorgente piana, invece perde 0 dB al raddoppio della distanza.

Questi valori sono naturalmente solo teorici, in quando valgono solo per sorgenti con area infinita che quindi non subiscono alcuna attenuazione da divergenza dell’onda sonora. Nel mondo reale non esistono sorgenti piane in grado di avere attenuazione nulla. Pertanto, assumendo che una sorgente piana venga misurata ad una certa distanza, questa agirà alla pari di una sorgente puntiforme. Di seguito potete osservare un esempio pratico di questo fenomeno.

La sorgente sonora è un monitor da studio (Genelec 8341A). Questo diffusore ha membrane coassiali/simmetriche disposte rispettivamente per l'emissione di basse, medie e alte frequenze. Le frequenze di crossover sono 500 Hz e 3 kHz. 

Il segnale riprodotto dall'altoparlante è un rumore rosa. 

Le distanze di misurazione sono 64, 32, 16, 8, 4, 2 e 1 cm, rispettivamente.

Quando ci si sposta da 64 cm a 32 cm o da 32 cm a 16 cm, la pressione sonora aumenta di 6 dB a tutte le frequenze. Se invece ci si sposta da 8 cm a 4 cm o da 4 cm a 2 cm, le basse frequenze rimangono pressoché costanti, mentre le frequenze più alte aumentano ancora. Quando ci si sposta da 2 a 1 cm (dalla curva rossa a quella blu), solo le frequenze superiori a 3 kHz aumentano. Le misurazioni sono condotte utilizzando un microfono omnidirezionale (esente da effetto di prossimità).

Figura 3. Livello sonoro in relazione alla distanza di un monitor da studio (unità coassiale). Segnale: rumore rosa. Le misurazioni sono effettuate rispettivamente a 64, 52, 16, 8, 4, 2 e 1 cm. Il diagramma al centro mostra il livello rispetto alla distanza a tre frequenze individuali (100 Hz, 1 kHz e 10 kHz) e una banda di frequenza (20 Hz – 20 kHz).

Perché l’effetto prossimità?

In breve: l’effetto prossimità esiste solo nei microfoni a gradiente. La spiegazione risiede nel fatto che il suono colpisce il diaframma sia dalla parte anteriore che da quella posteriore. (C'è sempre una apertura sul lato posteriore del diaframma). La differenza di pressione tra anteriore e posteriore (il gradiente) crea il movimento del diaframma. La distanza dalla parte anteriore a quella posteriore è nell'intervallo di 1-2 cm. A basse frequenze (che presentano una lunghezza d'onda nell'ordine di diversi metri), la differenza di pressione su 1-2 cm di un'onda sonora è minima. A frequenze più elevate, questa differenza aumenta (vedi Tecnologia del microfono – gli elementi essenziali, fig. 4 e 5).

Oltre a questo gradiente primario, c'è un'altra differenza di pressione aggiunta quando ci si avvicina al microfono (≤1 m). Questa differenza è legata alla distanza. Con una sorgente sonora a 2 cm dal lato anteriore del diaframma, allora la distanza dal retro è maggiore (diciamo 4 cm in questo esempio). La distanza dal lato posteriore è ora il doppio della distanza dalla parte anteriore. Se la sorgente sonora è una sorgente puntiforme, la pressione sonora viene attenuata di 6 dB tra la parte anteriore e quella posteriore del diaframma. Questo deve essere considerato come un gradiente aggiuntivo. Tuttavia, si ottiene un contributo solo a basse frequenze perché il gradiente primario in questo intervallo è debole.

In conclusione, ottieniamo una enfatizzazione in basso quando il microfono è vicino a una sorgente puntiforme. 

In asse e fuori asse

La distanza tra la parte anteriore e quella posteriore dipende anche dall'angolazione del microfono. Quando il microfono punta direttamente verso la sorgente sonora, la distanza tra parte anteriore e posterior raggiunge il suo massimo. Quando non è in asse, la differenza di distanza è ridotta e c'è meno effetto di prossimità. Se l'onda sonora percorre la stessa distanza sia verso la parte anteriore che quella posteriore, non esiste alcun effetto di prossimità. Per un microfono cardioide, questo accade quando l'angolo d'incidenza è esattamente di 90 gradi. Se il microfono viene ruotato ulteriormente rispetto all'angolo neutro di prossimità, l'effetto si ripropone. Quindi, se il microfono è completamente fuori asse (circa 180 gradi), l'effetto di prossimità sarà nuovamente presente.

Quando si verifica l'effetto prossimità?

Nella pratica l'effetto di prossimità si verifica quando il suono proviene da una sorgente puntiforme o lineare, il microfono è di tipo a gradiente e punta  verso la sorgente sonora. L'effetto di prossimità non si verifica invece quando la sorgente sonora è una sorgente piana, il microfono è di tipo a pressione o il microfono è rivolto a 90 gradi. Tuttavia, tra queste condizioni specifiche, ci sono molte sfumature.

La sorgente sonora equivalente può essere difficile da prevedere o definire quando si tratta di strumenti musicali. Di seguito troverai alcuni esempi.

Tromba

A volte, a causa della risposta in frequenza dello strumento, l'effetto prossimità non si presenta. Infatti anche se una tromba è fondamentalmente definita come una sorgente puntiforme, lo spettro non si estende alla gamma bassa. Pertanto la prossimità non è un problema quando si registra questo strumento.

Figura 4. Registrazione in campo vicino di una tromba. Le curve mostrano la differenza tra un microfono cardioide e uno omnidirezionale a varie distanze. L'intervallo di frequenze dello strumento provoca solo un grado limitato di effetto di prossimità all'interno dell'intervallo di frequenza effettivo. Le curve sono normalizzate al livello massimo, quindi la differenza dei livelli rispetto la distanza è stata eliminata (per un confronto più semplice delle curve).

Pianoforte a coda

In un pianoforte a coda, lo spazio appena sopra le corde è considerato come una sorgente piana anche se le singole corde potrebbero essere viste come qualcos'altro. I livelli sono relativamente costanti a 2, 4, 8 e 16 cm. Non c'è nessun effetto di prossimità. 

Figura 5. Registrazione in campo vicino di un pianoforte a coda. Le curve mostrano la differenza tra un microfono cardioide e uno omnidirezionale a varie distanze. L'intervallo di frequenza dello strumento non provoca alcun effetto di prossimità. Le curve sono normalizzate al livello massimo, quindi la differenza dei livelli rispetto la distanza è stata eliminata (per un confronto più semplice delle curve).​

Chitarra Acustica

Una chitarra acustica (microfoni puntati verso la parte anteriore della tavola armonica in legno, sotto il ponte) a distanza ridotta è una sorgente piana. Tuttavia, lo spettro non è così "attraente" in questa posizione, quindi di solito sono preferite altre posizioni del microfono, soprattutto perché il suono proveniente dal foro è particolarmente preponderante.

Figura 6. Registrazione in campo vicino di una chitarra acustica (di fronte alla tavola armonica in legno, appena sotto il ponte). Le curve mostrano la differenza tra un microfono cardioide e uno omnidirezionale a varie distanze. Le curve sono normalizzate al livello massimo, quindi la differenza dei livelli rispetto la distanza è stata eliminata (per un confronto più semplice delle curve).​

Grancassa

Ci si potrebbe aspettare che pelle di una grancassa funzioni come una sorgente piana a causa del diametro significativo della pelle. Tuttavia, il suo comportamento è più simile a una sorgente puntiforme. La grancassa non è una sorgente piana pura a qualsiasi distanza – quindi esiste un effetto prossimità. Pertanto, è necessario prestare attenzione quando si seleziona un microfono. Non sembra dipendere in maniera rilevante dal gradiente.

Figura 7. Registrazione in campo vicino di una grancassa. Le curve mostrano la differenza tra un microfono cardioide e uno omnidirezionale a varie distanze. Le curve mostrano che la pelle della cassa si comporta più come una sorgente puntiforme che come una sorgente piana. Le curve sono normalizzate al livello massimo, quindi la differenza dei livelli rispetto la distanza è stata eliminata (per un confronto più semplice delle curve).

Il DPA 4055 Kick Drum Microphone è un microfono a gradiente con un diagramma polare a "cardioide aperto". Si trova a metà tra "cardioide ampio" e il "cardioide". Ciò significa che l'effetto prossimità è inferiore a quello di un microfono cardioide. Tuttavia, mostra una risposta completa a bassa frequenza, anche a distanza. Questa caratteristica permette all'ingegnere la libertà di posizionare il microfono a una distanza conveniente.

Inoltre, è progettato per gestire i livelli sonori estremi intorno e all'interno del fusto della cassa. Questo microfono non deve necessariamente puntare direttamente verso la pelle risonante, il foro della risonante o l'area vicino al battente. Offre molte opportunità per sperimentare il posizionamento all'esterno e all'interno del fusto per riprendere ogni colpo con il giusto impatto come la situazione richiede.

Addendum - Come sono avvenute le misure? 

Ogni strumento musicale è stato registrato simultaneamente con diversi microfoni. Successivamente, i segnali sono stati analizzati utilizzando Smaart Live, spettro, banda di 1/3 di ottava, averaging time >1 minuto.

I dati (gli spettri) sono stati trasferiti in un foglio di calcolo per ciascuna delle distanze di registrazione (64, 32, 16, 8, 4, 2 e 1 cm nella misura in cui questi dati erano disponibili).

Ora, per ogni distanza, i dati delle registrazioni del microfono omni sono stati sottratti dai dati del microfono cardioide. La curva risultante mostra quindi la differenza tra i due microfoni. Se non ci fosse alcuna differenza, sarebbe vicino a una linea orizzontale retta. (Tuttavia, la differenza di sensibilità è stata compensata). Se esiste prossimità, si verifica un aumento delle frequenze di fascia bassa.