DE1044170B

DE1044170B - Mikrophon-Anordnung zur Erzielung einer Richtcharakteristik fuer bevorzugt einseitige Schallaufnahme

Info

Publication number: DE1044170B
Application number: DESCH10238A
Authority: DE
Inventors: Dr-Ing Karl Schoeps
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1952-08-14
Filing date: 1952-08-14
Publication date: 1958-11-20

Description

DEUTSCHES

Die einseitige Richtcharakteristik eines Mikrophons resultiert bekanntlich aus der Superposition einer Richtcharakteristik der Form einer Acht (Druckgradienten-Mikrophon) und einer kreisförmigen Richtcharakteristik (Druck-Mikrophon) dergestalt, daß durch die gegebenen Phasenbeziehungen für den einen Halbraum eine Addition, für den anderen eine Subtraktion der Bestimmungsgrößen der Richtkurven auftritt.

Da der Druckgradient zunächst mit der Frequenz wächst, muß ein kapazitives Schwingungssystem zur Erzielung einer konstanten Frequenzkurve reibungsgehemmt sein. Die Größe des Druckgradienten und damit auch die Empfindlichkeit des Druckgradienten-Mikrophons ist durch den mittleren Schallumweg von der Vorderseite der Membran zu ihrer Rückseite bestimmt. Dieser mittlere Umweg sei mit α bezeichnet. Bei gegebenen Abmessungen eines kapazitiven Druckgradienten-Mikrophons wächst der Druckgradient bis

zur Frequenz ίχ — γ^ (c=Schallgeschwindigkeit). Mit weiter zunehmender Frequenz nimmt der Druckgradient ab und erreicht den Wert Null bei der Frequenzsteile/^=—. Hier erfolgt Phasenumkehr und wieder

Zunahme des Wertes für den Druckgradienten mit weiter steigender Frequenz. Für ein Mikrophon beispielsweise mit einem Durchmesser von 3 cm ergeben sich für Z₁ und Z₂ etwa folgende Werte:

Z₁ = S₁OkHz; Z₂=Il₁SkHz.

Die obere Grenzfrequenz des Übertragungsbereiches eines kapazitiven Druckgradienten-Mikrophons ist also durch die Beziehung

f f>

2a

im Beispiel bestimmt. Einer Erweiterung des Übertragungsbereiches durch Verringerung der Abmessungen des Mikrophons ist durch, die damit verbundene Einbuße an Empfindlichkeit eine Grenze gesetzt. Für die Kombination des Druckgradienten-Mikrophons mit einem Druck-Mikrophon, also für die Superposition der genannten Richtcharakteristiken, verursacht der Einfluß des Druckgradienten-Mikrophons im Frequenzbereich Z₁ bis Z₂ (Bereich des mit steigender Frequenz abnehmenden Druckgradienten) von der Frequenzstelle Z₁ beginnend eine stark abfallende Frequenzkurve, wobei der Empfindlichkeitsunterschied der Anordnung für Schalleinfall von der Vorderseite zu Schalleinfall von der Rückseite im Sinne der beabsichtigten Wirkung immer ungünstiger wird. Von der Frequenzstelle Z₂ an wird durch die Phasenumkehr des Druckgradienten die Kombination empfindlicher für Schalleinfall von der Rückseite (un-

Mikrophon-Anordnung zur Erzielung

einer Richtcharakteristik für bevorzugt

einseitige Schallaufnahme

Anmelder:

Dr.-Ing. Karl Schoeps,
Karlsruhe-Durlach, Spitalstr. 20

Dr.-Ing. Karl Schoeps, Karlsruhe-Durlach,
ist als Erfinder genannt worden

beabsichtigte

empfindlicher für Schalleinfall von der Vorderseite) und damit die mit der Kombination
Wirkung umgekehrt.

Die für den Frequenzbereich Z₁ bis f₂ aufgezeigten Verhältnisse werden nun in gewissen Grenzen dadurch gemildert, daß das Druck-Mikrophon nur dort eine kreisförmige Richtcharakteristik aufweist, wo die Wellenlänge des aufzunehmenden Schalles groß gegen die Abmessungen des Mikrophons ist. Wo diese Bedingung nicht mehr erfüllt ist, deformiert sich bekanntlich die Kreischarakteristik und wird mit wachsender Frequenz zur einseitigen Richtcharakteristik. Die Auswirkungen der Phasenumkehr des Druckgradienten jedoch sind für den Frequenzbereich oberhalb Z₂ uneingeschränkt vorhanden.

Es ist nun bekannt, gemäß dem eingangs Gesagten eine bevorzugt einseitige Richtcharakteristik durch die Kombination eines Druckgradienten-Mikrophons mit einem Druck-Mikrophon zu erzielen. Es ist weiterhin bekannt, speziell bei einer derartigen Kombination kapazitiver Mikrophone die Ladespannungen in ihrem Verhältnis zueinander zu variieren und so beliebige Richtcharakteristiken zu erzeugen; auf diese Weise kann selbstverständlich auch eine einseitige Richtcharakteristik erzielt werden. Es sind außerdem auch Anordnungen bekanntgeworden, bei denen die einseitige Richtcharakteristik dadurch erzielt wird, daß in einem einzigen kapazitiven System zwei Membranen angeordnet werden, wobei nur eine der beiden Membranen elektrisch wirksam ist. Die feststehende Elektrode des Systems ist hierbei zwischen den beiden Membranen angeordnet und teils mit durchgehenden Bohrungen, teils mit Sacklöchern versehen.

Auf Grund der oben gebenen eingehenden Darstellung ist nun einzusehen, daß es bei den bisher bekannten kapazitiven Anordnungen zur Erzielung einer

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Richtcharakteristik für bevorzugt einseitige Schallaufnahme nicht möglich ist, eine in den geforderten engen Toleranzen konstante Frequenzkurve im gesamten Hörbereich, also einem Übertragungsbereich bis 16 kHz, ebenso wie die geforderte Richtcharakteristik der Anordnung in diesem gesamten Frequenzbereich zu erzielen.

Es ist nun auch schon vorgeschlagen worden, in einer Kombination eines Druckgradienten-Mikrophons mit einem Druck-Mikrophon regelbare frequenz- ίο abhängige Kopplungsglieder vorzusehen, wodurch die wirksamen Anteile der beiden Mikrophone willkürlich beeinflußt werden können. Eine solche Anordnung ist jedoch bei Verwendung kapazitiver Mikrophone wegen der Hochohmigkeit der Systeme nicht möglich.

Gemäß der Erfindung wird eine Mikrophon-Anordnung zur Erzielung einer Richtcharakteristik für bevorzugt einseitige Schallaufnahme, bestehend aus der Kombination eines kapazitiven Druckgradienten-Mikrophons und eines kapazitiven Druck-Mikrophons, derart ausgebildet, daß ein Ohmscher Widerstand oder Ohmsche Widerstände in elektrischer Reihenschaltung mit der Kapazität des Druck-Mikrophons vorgesehen sind. Diese Anordnung liegt elektrisch parallel zur Kapazität des Druckgradienten-Mikrophons. Hierbei sind der Ohmsche Widerstand bzw. die Ohmschen Widerstände derart bemessen, daß mit steigender Frequenz eine Abnahme des Anteils des Druckgradienten-Mikrophons an der Gesamtausgangsspannung erfolgt. Diese Anordnung gestattet im Gegensatz zu den bisher bekannten Anordnungen eine Erweiterung des Übertragungsbereiches bis 16 kHz bei Einhaltung auch aller hinsichtlich der Richtcharakteristik zu stellenden Forderungen.

In Abb. 1 ist mit A ein kapazitives Druckgradienten-Mikrophon, mit B ein kapazitives Druck-Mikrophon bezeichnet. Die Membranen beider Mikrophone sind miteinander direkt, die Gegenelektroden über den Widerstand R elektrisch verbunden. Die weitere Schaltung stellt eine von den bekannten Möglichkeiten der Anschaltung an einen Mikrophon-Verstärker dar.

Der zum Druckgradienten-Mikrophon A elektrisch parallel liegende Schaltungszweig mit den Schaltelementen R (Widerstand) und B (Kapazität des Druck-Mikrophons) stellt ein frequenzabhängiges Glied dar. Durch richtige Bemessung des Widerstandes R in Relation zur Kapazität des Druck-Mikrophons B wird nun erreicht, daß der wirksame Anteil des Druckgradienten-Mikrophons oberhalb einer bestimmten, geeignet gewählten Frequenzstelle verschwindet. Die Frequenzabhängigkeit kann nun beispielsweise so gewählt werden, daß oberhalb /₂ kein wirksamer Anteil durch das Druckgradienten-Mikrophon mehr vorhanden ist, während dieser beispielsweise nach Maßgabe der Erfordernisse im Frequenzbereich Z₁ bis /₂ mit steigender Frequenz abnimmt. Durch diese Maßnahme sind unter anderem die schädlichen Auswirkungen des Druckgradienten-Mikrophons eliminiert. Es ist nun nur noch mit an sich bekannten Mitteln dafür Sorge zu tragen, daß das im oberen Übertragungsbereich allein wirksame Druck-Mikrophon einen bis beispielsweise 16 kHz erweiterten Übertragungsbereich aufweist und durch richtige Wahl seiner Abmessungen die Funktion für die einseitig gerichtete Schallaufnahme an der richtigen Frequenzstelle übernimmt. Ein in gewissen Grenzen im Übertragungsbereich und im Gebiet hoher Frequenzen auftretender Ernpfindlichkeitsverlust der Kombination wird durch die Wirkung des Staudruckeffektes im freien Schallfeld bei richtiger Wahl der Verhältnisse kompensiert. Ein weiterer Vorteil der Anordnung gemäß der Erfindung besteht darin, daß auch zugunsten einer größeren Empfindlichkeit des Druckgradienten-Mikrophons die oben beschriebene Grenzfrequenz f₁ niedriger gewählt werden kann, ohne daß die bisher hierbei aufgetretenen Nachteile in Kauf genommen werden müssen.

Mit einer geeigneten Bemessung der frequenzabhängigen Kombination (R, B) kann auch bewirkt werden, daß der bisher durch eine entsprechende Ausbildung des Druckgradienten-Mikrophons erzielte Effekt der Reibungshemmung teilweise oder ganz elektrisch erzielt wird.

Für einen differenzierten Funktionsverlauf der Frequenzabhängigkeit kann beispielsweise in der Anordnung noch der Widerstand R' vorgesehen werden (Abb. 2).

In gewissen extremen Fällen kann es erforderlich sein, einen bei der Anordnung gemäß der Erfindung auftretenden Phasengang für den wirksamen Anteil des Druckgradienten-Mikrophons zu eliminieren. Dies kann in einfacher Weise beispielsweise dadurch erreicht werden, daß die Membranebenen der beiden Mikrophone in der räumlichen Anordnung um ein bestimmtes Maß parallel zueinander verschoben werden. Der dadurch auftretende Phasengang ist im Bereich tiefer Frequenzen vernachlässigbar und kompensiert im Bereich höherer Frequenzen die erwähnte Phasendrehung.

In den Abb. 1 und 2 ist die erforderliche Ladespannung (Zugspannung) für beide Mikrophone über einen Widerstand am Punkt χ zugeführt. Selbstverständlich kann auch die Ladespannung für jedes der beiden Mikrophone getrennt über je einen Widerstand zugeführt werden (Punkte y und χ in Abb. 3). In diesem Falle kann in bekannter Weise durch die Bemessung der einzelnen Ladespannungen die relative Empfindlichkeit der beiden Mikrophone in der richtigen Weise eingestellt werden. Eine Beeinflussung der relativen Empfindlichkeit der beiden Mikrophone zueinander kann selbstverständlich auch durch Parallelschaltung einer geeignet bemessenen Kapazität eines der beiden Mikrophone bewirkt werden.

Claims

Patentansprüche:

1. Mikrophon-Anordnung zur Erzielung einer Richtcharakteristik für bevorzugt einseitige Schallaufnahme, bestehend aus der Kombination eines kapazitiven Druckgradienten-Mikrophons und eines kapazitiven Druck-Mikrophons, dadurch gekennzeichnet, daß ein Ohmscher Widerstand oder Ohmsche Widerstände in elektrischer Reihenschaltung mit der Kapazität des Druck-Mikrophons vorgesehen sind und diese Anordnung elektrisch parallel zur Kapazität des Druckgradienten-Mikrophons liegt und daß der Ohmsehe Widerstand bzw. die Ohmschen Widerstände derart bemessen sind, daß mit steigender Frequenz eine Abnahme des Anteils des Druekgradienten-Mikrophons an der Gesamtausgangsspannung erfolgt.

2. Mikrophon-Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zur frequenzabhängigen Beeinflussung des Anteils des Druckgradienten-Mikrophons vorgesehenen Schaltelemente so bemessen sind, daß der Anteil des Druckgradienten-Mikrophons vorzugsweise im Frequenzbereich seiner Phasenumkehr praktisch unwirksam ist.

3. Mikrophon-Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zur frequenzabhän-

gigen Beeinflussung des Anteils des Druckgradienten-Mikrophons vorgesehenen Schaltelemente so bemessen sind, daß die elektrisch den Funktionsverlauf der Reibungshemmung für das Druckgradienten-Mikrophon bewirken und den Anteil des Druckgradienten-Mikrophons vorzugsweise im Frequenzbereich seiner Phasenumkehr praktisch unwirksam machen.

4. Mikrophon-Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Membranen des Druckgradienten-Mikrophons und des Druck-Mikrophons räumlich parallel zueinander versetzt angeordnet sind dergestalt, daß durch das Maß der Versetzung die durch die zur frequenzabhängigen Beeinflussung vorgesehenen Schaltelemente auftretende frequenzabhängige Phasendrehung durch diese relative Anordnung der beiden Mikrophone im Schallfeld praktisch kompensiert wird.

In Betracht gezogene Druckschriften:
USA.-Patentschrift Nr. 2 293 258;
schweizerische Patentschrift Nr. 281 609;
ίο Zeitschrift »Hochfrequenztechnik und Elektroakustik«, 1935, S. 187 bis 192;

Zeitschrift »The Journal of the Acoustical Society of America«, Vol. 12, 1941, Nr. 4, S. 481 bis 498.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen