Come abbiamo visto, la caratteristica direttiva di un microfono può venire riportata su quello che viene definito un diagramma polare. Normalmente i diagrammi polari vengono accomunati in forme geometriche per una più facile comprensione delle caratteristiche dei microfoni stessi. I principali diagrammi che permettono di classificare i microfoni in base alla loro direttività sono:

• Circolare o Panoramico
• A Otto o Bidirezionale
• Cardioide
• Supercardioide
• Ipercardioide
• A clava

I diagrammi polari, anche se disegnati su un piano bidimensionale, sono in realtà da attribuire allo spazio tridimensionale, inteso come campo sonoro nell’intorno spaziale del microfono stesso. Talvolta, per rappresentare sinteticamente le proprietà direttive di un microfono con un unico dato, si ricorre al fattore di direttività che è definito come il rapporto tra la potenza erogata da un microfono non direttivo, con sensibilità uguale a quella massima del microfono direttivo, e la potenza erogata dal microfono direttivo, posti entrambi in un campo sonoro diffuso. Se questo fattore è espresso in decibel, esso viene chiamato indice di direttività. Il fattore di direttività di un microfono viene interpretato attraverso il concetto di grado di accoppiamento. Ogni microfono ha un proprio fattore di direttività che è:

• = 1 per il microfono Panoramico
• = 3 per il microfono Cardioide
• = 4 per il microfono Ipercardioide
• >4 per il microfono a Clava

Per esempio, se usiamo un microfono panoramico, che ha un fattore di direttività pari a 1, posto a una certa distanza dalla sorgente sonora e vogliamo accoppiarlo ad un microfono a cardioide, avente un fattore di direttività pari a 3, per avere lo stesso effetto ambiente dovremo allontanare il microfono a cardioide dalla sorgente di una distanza pari alla radice quadrata di 3.

Si definiscono omnidirezionali o panoramici quei microfoni la cui sensibilità si mantiene costante al variare della direzione di provenienza del suono. Sono tipicamente panoramici i microfoni a pressione; quei microfoni, cioè, nei quali il suono può raggiungere solamente la faccia anteriore del diaframma, determinandone una deformazione che dipende dal valore della pressione sonora ma non dalla direzione di provenienza del suono, essendo la pressione in un mezzo gassoso una grandezza scalare. Il diagramma di direttività di questi microfoni è rappresentato da una circonferenza. Analiticamente potremo scrivere: S = a dove S è la sensibilità e a è una costante.

Alle frequenze elevate un microfono panoramico può perdere le sue caratteristiche di panoramicità, in quanto le lunghezze d’onda diventano confrontabili con le dimensioni fisiche del microfono e si verificano fenomeni di diffrazione. I microfoni a condensatore panoramici, che possono essere realizzati in dimensioni ridotte rispetto a quelli a bobina mobile, mantengono perciò la loro caratteristica panoramica anche a frequenze abbastanza elevate.

I microfoni bidirezionali sono quelli che hanno una sensibilità che varia con l’angolo della direzione di provenienza dei suoni. Il diagramma di direttività risultante ha la forma di un otto. Sono tipicamente bidirezionali i microfoni a gradiente di pressione, quei microfoni, cioè, in cui la membrana è sollecitata dal suono sia sulla faccia anteriore che sulla faccia posteriore. La differenza di percorso che il suono fa per raggiungere le due facce della membrana determina il valore della sollecitazione risultante. Se la direzione di provenienza del suono è parallela al piano della membrana i due percorsi saranno uguali e la sollecitazione risultante sulla membrana sarà nulla. La sensibilità del microfono ai suoni provenienti da direzioni giacenti sul piano della membrana sarà perciò nulla. Si avrà la massima sensibilità del microfono per i suoni provenienti da quella direzione per la quale la differenza dei percorsi è uguale a mezza lunghezza d’onda, sicché la sollecitazione risultante sulla membrana è uguale al doppio della sollecitazione presente su una sola delle due facce. Nei microfoni bidirezionali questa direzione è quella normale al piano della membrana. Sono tipicamente bidirezionali i microfoni a nastro ma ovviamente il principio del gradiente di pressione può essere applicato anche agli altri tipi di microfono.

Si chiamano unidirezionali quei microfoni che presentano una sensibilità limitata praticamente ad un solo semispazio. Si possono ottenere partendo da un microfono panoramico ed uno bidirezionale e collegando in serie le due tensioni elettriche di uscita. Il microfono risultante avrà una sensibilità data dalla somma delle due sensibilità dei microfoni di partenza. Nel caso in cui la massima sensibilità dell’elemento bidirezionale sia uguale alla sensibilità del microfono panoramico si avrà una equazione che rappresenta analiticamente una cardioide.

Lo stesso risultato si può anche ottenere usando un elemento trasduttore a pressione dotato di un sistema acustico di ritardo che permette di inviare sulla faccia posteriore del diaframma una parte dell’energia sonora. Alla classe dei microfoni unidirezionali appartengono anche i microfoni a supercardioide e ipercardioide, le cui proprietà direttive sono più spiccate di quelle del microfono a cardioide e che presentano il minimo di sensibilità per angoli di incidenza di 120°-150°.

Nelle riprese audio si sente spesso l’esigenza di usare microfoni con caratteristiche più pronunciate di quelle che si ottengono ricorrendo al principio del gradiente di pressione. L’ultradirettività di questi microfoni è generalmente ottenuta sfruttando qualche fenomeno connesso con la propagazione delle onde sonore come l’interferenza, la riflessione o la rifrazione. Un microfono di questo tipo molto usato è quello a linea acustica. Per comprendere qualitativamente il suo funzionamento basta pensare ad un fascio di tubi, di diversa lunghezza, aperti ad una estremità verso l’ambiente e con l’altro estremo che sbocca in una comune cameretta di raccordo nella quale si trova il trasduttore.

La pressione acustica che ecciterà la membrana del trasduttore dipende dal contributo dei singoli tubi, alla cui sezione di uscita vi sarà una pressione con una fase legata alla lunghezza del tubo ed alla lunghezza d’onda del suono, oltre che all’orientamento del fronte del microfono rispetto alla direzione di propagazione del suono. Le interferenze tra i segnali trasmessi dai singoli tubi, che raggiungono la camera di raccordo con fasi diverse, sono la causa della forte direzionalità di questi microfoni. Nella realizzazione pratica di questi microfoni si ha un solo tubo solcato in tutta la sua lunghezza da una fenditura che costituisce la sezione d’ingresso delle onde sonore.

Il diagramma di direttività dei microfoni ultradirezionali è denominato a clava. Il campo di frequenza entro cui essi presentano una direttività così elevata è di solito abbastanza ristretto. Per avere un campo di frequenze più ampio vengono realizzati microfoni che sfruttano contemporaneamente il principio del gradiente di pressione e quello dell’interferenza.

In molte situazioni il fonico è costretto a posizionare i microfoni nelle vicinanze di una superficie riflettente. Esempi tipici di questa situazione, tutt’altro che inconsueta, sono la ripresa di una scena che si svolge su un palcoscenico, oppure la ripresa di un pianoforte con la coda aperta. Sia il piano del palcoscenico che il coperchio del pianoforte sono superfici che riflettono il suono. In queste condizioni al microfono giunge sia il suono diretto che quello riflesso.

Il suono riflesso dovrà percorrere un percorso maggiore, quindi arriverà al microfono in ritardo rispetto al suono diretto. Per talune frequenze il suono diretto e quello riflesso saranno in fase, e quindi si sommeranno, per altre saranno in contro fase, e quindi tenderanno ad annullarsi. Questo provoca un effetto di filtro a pettine, per cui alcune frequenze saranno esaltate, altre attenuate, altre ancora addirittura cancellate.

Avvicinando il microfono alla superficie riflettente, la differenza nella lunghezza del percorso che i due suoni devono percorrere è minore minore sarà quindi il ritardo con cui giunge il suono riflesso. Anche in questo caso avremo un effetto filtro a pettine, ma questo interesserà suoni a frequenza maggiore. Quindi più si avvicina il microfono alla superficie, minore è il ritardo del suono riflesso, e più alto il campo di frequenze interessato dal deleterio effetto filtro a pettine.

Sulla base di questo principio la Crown ha studiato il suo microfono PZM (Pressure Zone Microphone®) in modo da utilizzare la combinazione fra suono diretto e suono riflesso per ottenere un miglioramento nella ripresa acustica. Il microfono PZM è formato da un piano metallico che costituisce la continuazione ideale della superficie riflettente, sul quale è posta orizzontalmente a brevissima distanza una capsula microfonica a condensatore. In questo modo l’effetto filtro a pettine interessa solamente le frequenze ultrasoniche. Nel campo udibile il suono diretto e quello riflesso sono sempre in fase, è questo comporta un incremento della pressione sonora di 6 dB. I benefici che questo tipo di microfono può dare sono diversi:

• +6 dB di sensibilità
• -6 dB di rumore
• un’ampia e morbida risposta in frequenza, priva di interferenze di fase
• eccellente chiarezza e capacità di registrare suoni
• diagramma polare emisferico (mezzo omnidirezionale)
• lettura dei suoni eccellente e costante in tutte le direzioni, attorno al microfono.

Il microfono PZM che abbiamo appena esaminato presenta una caratteristica polare omnidirezionale anzi, per maggiore precisione, dal momento che sfrutta una superficie riflettente, ha una direzionalità di tipo semisferico. Questa caratteristica non è indicata per talune applicazioni, in particolare quando il suono deve essere amplificato. Per questo motivo la Crown ha studiato il microfono PCC (Phase Coherent Cardioid®), a coerenza di fase, applicando gli stessi ragionamenti visti per i microfoni PZM, per ottenere un microfono direzionale che sfrutti in maniera positiva l’interazione del suono diretto con quello riflesso da una superficie. Nel microfono PCC, invece di sospendere orizzontalmente una capsula microfonica a brevissima distanza dal piano, si utilizza una capsula microfonica cardioide a condensatore di dimensioni minime (meno di 1 cm.), fissata verticalmente a contatto con il piano. Il microfono PCC può essere quindi considerato un PZM con caratteristiche direzionali cardioidi.

Come abbiamo visto, il principio di funzionamento dei microfoni PZM e PCC è legato alla presenza di una superficie riflettente. Il piano dei microfoni è, a tutti gli effetti, una continuazione della superficie su cui esso poggia, e questi microfoni devono essere usati a stretto contatto con essa. Il microfono a zona di pressione, con la sua caratteristica emisferica, si presta soprattutto per la registrazione. In realtà tale caratteristica può essere variata montando il microfono su pannelli opportunamente disposti; tale sistema tuttavia comporta degli ingombri fisici e visivi che sono difficilmente proponibili in uno spettacolo dal vivo. Un’interessante applicazione del microfono PZM dal vivo è, come abbiamo accennato, la ripresa del pianoforte a coda, che si può ottenere fissando un PZM al centro del coperchio aperto della coda. In questo modo il suono proveniente dall’intero piano armonico, diretto e riflesso dal coperchio, può essere captato dal microfono, conferendo alla registrazione un’eccellente qualità. Il PCC, invece, può essere usato sun un altare, o sul podio di un oratore; la direzionalità meno accentuata rispetto a un microfono di tipo convenzionale, come ad esempio il cosiddetto mezzo fucile, può creare qualche problema di effetto Larsen, ma il suono è ottimo e il microfono risulta praticamente invisibile. L’applicazione più diffusa di questo microfono riguarda la ripresa panoramica di eventi teatrali. La tecnica suggerisce di piazzare fino a 3 PCC (a seconda della larghezza del palco) a circa 30 centimetri dal bordo del palcoscenico, distanziati fra di loro di 4 – 6 metri. È comunque buona norma aprire solo un microfono per volta, naturalmente quello che si trova più vicino a chi recita. Questa applicazione è di solito caldeggiata dai registi, soprattutto per motivi estetici e dai produttori per motivi economici ma per i tecnici non è davvero semplice ottenere dei risultati accettabili con questi microfoni, e in generale con la ripresa panoramica. I PCC usati su di un palcoscenico hanno il difetto di essere molto sensibili al rumore dei passi che si trasmettono attraverso il legno del palco. Alcuni tecnici poco accorti sono spesso tentati di risolvere questo problema interponendo della spugna tra il microfono e il palco ma in questo modo, naturalmente, si annullano tutti i vantaggi di questa tecnologia, comunque interessante, che può venirci incontro per risolvere brillantemente svariate situazioni di ripresa.