DE1096420B - Elektroakustischer Richtwandler - Google Patents

Description

DEUTSCHES

Unter den verschiedenartigen Mikrophonen mit Richtcharakteristik haben die als Druckgradientenempfänger wirksamen Anordnungen besondere praktische Bedeutung erlangt. Ein solcher Wandler arbeitet als Druckdifrerenzempfänger, und beide Seiten seiner Membran sind mit verschiedenen Punkten des äußeren Schallfeldes verbunden. Der Abstand dieser Punkte wird als Basis bezeichnet, und die Größe dieser Basis ist wesentlich bestimmendes Element für die Empfindlichkeit der Anordnung. Einer Steigung der Empfindlichkeit durch Vergrößern der Basis wird Grenzen gesetzt durch die bekannte Bedingung, daß die Basis nicht größer sein soll als eine halbe Wellenlänge des Schalles der höchsten Frequenz, für die die Anordnung wirksam sein soll. Unter der Bezeichnung »variable distance« ist ein Prinzip bekannt, die Auswirkungen dieser einschränkenden Bedingung dadurch zu umgehen, daß die Basis frequenzabhängig gemacht wird. Nach diesem Prinzip aufgebaute Wandler haben mehrere verschiedenen Basislängen entsprechende Schalleinlässe, und es ist dafür Sorge getragen, daß die Schalleinlaßöffnungen mit der größeren Basis für höhere Frequenzen unwirksam werden. Dieses Prinzip ist bisher angewendet auf Richtmikrophone vom sogenannten Nierentyp, das sind Druckgradientenempfänger, bei denen in der Schalleitung zum rückwärtigen Schalleinlaß laufzeitbehaftete Glieder eingebaut sind.

Zur besseren Klarstellung der Gedanken der Erfindung sei zunächst ein charakteristisches Ausführungsbeispiel bekannter Art beschrieben. Hierzu wird auf die Abb. 1 und 2 Bezug genommen. Die Abb. 1 zeigt in schematiseher Darstellung ein bekanntes Nierenmikrophon, das vom »Variable-distance«-Prinzip Gebrauch macht. Der vordere Schalleinlaß A mag hier einfach durch die Vocderfläche der Membran 11 gegeben sein; die hier im allgemeinen angeordneten besonderen Mittel sind für das Wesen unbedeutend und dementsprechend im Interesse der Klarheit fortgelassen. Die hinteren Schalleinlässe sind mit X, Y und Z bezeichnet. Sie entsprechen jeweils abgestuften Basislängen I, II und III. Charakteristisch für dieses Beispiel, wie für alle bekannten Ausführungen, ist die Parallelschaltung mehrerer hinterer Schallwege zum Luftraum 12 hinter der Membran. Wenn die Betrachtung zunächst auf die hinteren Schalleinlässe X und Z beschränkt wird, erkennt man dieses Prinzip sehr deutlich. Der für hohe Frequenzen allein wirksame Schalleinlaß X mit der kürzesten Basis I besteht aus einem Röhrchen 15, das die Einlaßöffnung mit dem Luftraum 12 hinter der Membran verbindet. In dem Röhrchen 15 ist ein Dämpfungswiderstand angebracht. Die Verbindung des Schalleinlasses Z, der der größeren Basis III entspricht, mit dem Luftraum 12 hinter der Membran erfolgt über die Hintereinanderschal-

Anmelder:

SENNHEISER electronic

Dr.-Ing. Fritz Sennheiser,

Wennebostel bei Bissendorf (Hann.)

Paul-Friedrich Warning, Bissendorf (Hann.),
ist als Erfinder genannt worden

tung von Röhrchen 19, Volumen 17 und Röhrchen 16; die beiden Röhrchen sind jeweils mit Dämpfungswiderständen versehen. Diese Reihenschaltung von akustischer Masse, Nachgiebigkeit und akustischer Masse stellt einen Tiefpaß dar, der den Schalleinlaß Z für hohe Frequenzen unwirksam macht. Im mittleren Frequenzgebiet sind beide Schalleinlässe wirksam, und die von ihnen herrührenden Schalldrücke addieren sich im Luftraum 12 hinter der Membran. Es resultiert daraus eine frequenzabhängige wirksame Basislänge, die ihrer Größe nach zwischen den Werten der kleinsten Basis I und der größten Basis III liegt. Um diesen Übergang noch weicher zu gestalten und einen möglichst glatten Verlauf in der Abhängigkeit der wirksamen Basislänge von der Frequenz zu erhalten, ist am Volumen 17 eine Membran angebracht, die einen mit Masse und Dämpfung behafteten mittleren Schalleinlaß darstellt. Es findet dann von tiefen Frequenzen ausgehend zunächst ein Übergang von Z auf Y und bei weiter steigender Frequenz von Y auf X statt. Für die generelle Betrachtung kann dieser mittlere Schalleinlaß Y mit seiner Membran 18 unbeachtet bleiben; er ist daher in der Abb. 1 auch nur gestrichelt eingezeichnet. Die Parallelschaltung der beiden Schallwege erfolgt am Volumen 12 hinter dter Membran. Dies ist aber ein Ort verhältnismäßig hohen Widerstandes, so daß sich die komplexen Widerstände der beiden Schallwege gegenseitig beeinflussen. Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß hierin ein wesentlicher Grund für viele Schwierigkeiten bei der Konstruktion solcher Richtmikrophone liegt. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist noch ein Volumen 14 über ein gedämpftes Röhrchen 13 ebenfalls an dien Luftraum 12 hinter der Membran angekoppelt. Die Ankopplung dieses zusätzlichen akustischen

009 697/367

Scheinwiderstandes erweist.sich bekanntlich als notwendig, um die Piiasenbedingungen für einen glatten Verlauf der Empfindlichkeitskurve zu erfüllen. Das beschriebene Beispi|el ist. ein Richtmikrophon vom Nierentyp. Die aufgezeigten Gesichtspunkte gelten natürlich genauso für das daraus durch symmetrische Ergänzung ableitbare Achtermikrophon. Die Grundgedanken sind nicht einmal auf Mikrophone beschränkt, sondern gelten auch für Schallsendjer, d.h., sie gelten allgemein für Riehtwandler mit beiderseits beaufschlagter Membran.

Die Erfindung betrifft einen elektroakustischen Riehtwandler mit beiderseits-beaufschlagter Membran und mehreren hinteren Verbindungsöffnungen zum äußeren Schallfeld, die unterschiedliche Abstände von der vorderen Verbindungsöffnung zum äußeren Schallfeld haben zur Ausnutzung des als »variable distance« bekannten Prinzips einer frequenzabihängigen wirksamen Basislänge und ist besonders geeignet für ein Druckgradientenmikrophon mit Nierencharakteristik, ao Ihre besonderen Merkmale bestehen darin, daß die in die einzelnen hinteren Verbindungsöffnungen zum äußeren Schallfeld mündenden einzelnen akustischen Verzögerungsglieder hintereinandergeschaltet sind und an ihren Verbindungsstellen jeweils eine der Verbindüngen zum äußeren Schallfeld je mit einem Dämp- ■ fungswiderstand versehen sind. Der durch das Prinzip der Hintereinanderschaltung der Verzögjerungsglieder im Gegensatz zur bekannten Parallelschaltung gekennzeichnete Grundgedanke möge zunächst an Hand eines Ersatzschaltbildes näher erläutert werden. Die Abb. 3 zeigt ein solches Ersatzschaltbild eines Ausführungsbeispiels der Erfindung. Zum besseren Verständnis möge eine vergleichende Betrachtung des Ersatzschaltbildes 2 dienen, das der bekannten Ausführung nach Abb. 1 entspricht. Die Schalleinlässe sind jeweils mit A₁ X₁ Y und Z bezeichnet. Masse und Nachgiebigkeit der Membran sind durch die Reihenkreise 31 bzw. 21 dargestellt. Die Nachgiebigkeiten der Lufträume hinter der Membran sind durch die Kapazitäten 32 bzw. 22 symbolisiert. In diesen Elementen unterscheiden sich die beiden Beispiele nicht oder zumindest nicht qualitativ; denn die Erfindung betrifft ja die Verbindungen des Luftraumes hinter der Membran zu den hinteren Schalleinlässen. Bei dem Ausführungsbeispiel nach der Erfindung ist an den durch die Nachgiebigkeit 32 symbolisierten Luftraum hinter der Membran nur eine akustische Masse 33 angekoppelt. An deren freies Ende schließt nun die Serienschaltung zweier Laufzeitglieder an, und an den Verbindungsstellen ist die Ankopplung an das äußere Schallfeld, d. h. zu den Einlassen X₁ Y und über Dämpfungswiderstände, vorgenommen. Die beiden Verzögerungsglieder sind im Ersatzschaltbild der Abb. 3 als. T-Glieder mit den akustischen Massen 34 und 36 bzw. 37 und 39 in den Längszweigen und den Nachgiebigkeiten 35 bzw. 38 in den Querzweigen realisiert. In die Querzweige ist jeweils noch eine bedämpfte Masse eingeschaltet, wie dies im Interesse Kesseren Phasenganges erforderlich sein mag. Das zum Vergleich heranzuziehende Ersatzschaltbild nach Abb. 2 für die bekannte Anordnung zeigt deutlich die Parallelschaltung zweier Zweige. An die Nachgiebigkeit 22 ist einerseits der aus Masse und Dämpfung bestehende obere Zweig 25 für den Einlaß X angeschlossen. Parallel dazu liegt der untere Zweig, bestehend aus einer T-Schaltung von jeweils Masse mit Dämpfung 26 und 29 in den Längszweigen und der Nachgiebigkeit 27 im Querzweig. Der Vollständigkeit halber ist in dieser Abbildung auch die den mittleren Schalleinlaß Y zugeordnete Ersatzschaltung, bestehend aus dem gedämpften Serienkreis 28, gestrichelt eingezeichnet. Der aus den Schaltelementen 23 und 24 bestehende Serienkreis entspricht dem zuvor genannten, zur Erfüllung der Phasenbedingungen erforderlichien akustischen Resonanzkreis 13 und 14.

Die nach der Erfindung hintereinanderzuschaltenden Verzögerungsglieder können in an sich bekannter Weise aus diskreten akustischen Massen, dargestellt durch Luftstöpsel, und diskreten akustischen Nachgiebigkeiten, dargestellt durch Luftvolumina, bestehen. Die Abb. 4 zeigt ein dementsprechendes Ausführungsbeispiel, das dem Ersatzschaltbild der Abb. 3 entspricht. Hinter der mit Masse und Nachgiebigkeit behafteten Membran 41 ist der Luftraum 42, an den die Hintereinanderschaltung der Verzögerungsglieder angeschlossen ist. Zunächst führt vom Luftraum 42 das Röhrchen 43 zum Schalleinlaß X. Zugleich ist hier aber das aus den beiden Luftstöpseln 44 und 46 sowie der Nachgiebigkeit 45 bestehende erste Verzögerungsglied angeschlossen, dessen anderes Ende in den Schalleinlaß Y führt, wo zugleich das aus den beiden Luftstöpseln 47 und 49 sowie der Nachgiebigkeit 48 bestehende zweite Verzögerungsglied angeschlossen ist, dessen anderes Ende als Schalleinlaß Z in das äußere Schallfeld mündet. Die drei Schalleinlässe sind durch Wirkwiderstand bedämpft. Der Hintereinanderschaltung nach der Erfindung entspricht es, daß die einzelnen Verzögerungsglieder jeweils an Punkten geringen Widerstandes aneinander gekoppelt sind. Die hierbei auftretende Parallelschaltung mit dem widerstaridsbehafteten Schalleinlaß stört nicht. Am Zusammenstoß der beiden Luftstöpsel 43 und 44, hinter dem Schalleinlaß X z. B., stellt der Eingangswiderstand des Röhrchens 44 mit den rechts dahinterliegenden Elementen für hohe Frequenz einen verhältnismäßig großen Massewiderstand dar, so daß diese angekoppelten Elemente die Wirkung des Schalleinlasses X bei hohen Frequenzen nur wenig beeinflussen. Die beiden Verzögerungsglieder haben Tiefpaßcharakter, so daß sie mit steigender Frequenz in steigendem Maße abgekoppelt werden. Dadurch wird mit steigender Frequenz zunächst der hinterste Schalleinlaß Z und bei weiter steigender Frequenz auch der mittlere Schalleinlaß Y unwirksam, so daß für hohe Frequenzen der Schalleinlaß X mit der kürzesten Basis allein wirksam bleibt. Man erreicht daher mit einer erfindungsgemäßen Ausführung die Wirkung, wie sie für das »Variable-distance«-Prinzip charakteristisch ist, ohne die Nachteile der bekannten Anordnungen in Kauf nehmen zu müssen.

Die nach der Erfindung hintereinanderzuschaltenden Verzögerungsglieder können auch in an sich bekannter Weise durch Rohrleitungsstücke gegeben sein. Zur Erhöhung der Laufzeit können diese Rohrleitungsstücke außerdem mit periodisch veränderlichem Querschnitt ausgeführt sein. Die Abb. 5 zeigt hierfür ein Ausführungsbeispiel, wobei Membran und Luftraum hinter der Membran nicht dargestellt sind. Man erkennt deutlich die Hintereinanderschaltung von Rohrstück 51, Rohrstück 52 mit ortsveränderlichem Querschnitt und Rohrstück 53 mit ebenfalls ortsveränderlichem Querschnitt. Die Abb. 6 zeigt ein Ausführungsbeispiel mit glattwandigen Rohrstücken 61j 62 und 63, die erfindungsgemäß hintereinandergeschaltet sind. Um einerseits die frequenzabhängige Abkopplung zu verbessern und andererseits die Rückwirkung der nicht benutzten Teile zu verkleinern, erfolgt hier die Ankopplung an das jeweils der Membran näher liegende Glied über eine Querschnitts-

verringerung, die in ihrer Wirkung eine akustische Masse darstellt.

Claims (7)

PatentANSPRocHK:

1. Elektroakustischer Richtwandler mit beiderseits beaufschlagter Membran und mehreren hinteren Verbindungsöffnungen zum äußeren Schallfeld, die unterschiedliche Abstände von der vorderen X^erbindungsöffnung zum äußeren Schallfeld haben zur Ausnutzung des als »variable distance« ίο bekannten Prinzips einer frequenzabhängigen wirksamen Basislänge, insbesondere Druckgradientenmikrophon mit Nierencharakteristik, dadurch gekennzeichnet, daß die in die einzelnen hinteren Verbindungsöffnungen zum äußeren Schallfeld mündenden einzelnen akustischen Verzögerungsglieder hintereinandergeschaltet sind und an ihren Verbindungsstellen jeweils eine der Verbindungen zum äußeren Schallfeld abzweigt und diese Verbindungsöffnungen zum äußeren Schallfeld je mit einem Dämpfungswiderstand versehen sind.

2. Elektroakustischer Richtwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die hintereinandergeschalteten Verzögerungsglieder in an sich bekannter Weise aus diskreten akustischen Massen, dargestellt durch Luftstöpsel, und diskreten akustischen Nachgiebigkeiten, dargestellt durch Luftvolumina, bestehen.

3. Elektroakustischer Richtwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die hintereinandergeschalteten Verzögerungsglieder in an sich bekannter Weise aus Rohrleitungsstücken bestehen.

4. Elektroakustischer Richtwandler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Rohrleitungsstücke vor dem Einmünden in das jeweils der Membran nähere Verzögerungsglied eine als akustische Masse wirkende Querschnittsverkleinerung haben.

5. Elektroakustischer Richtwandler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Rohrleitungsstücke mit, vorzugsweise periodisch, ortsveränderlichem Querschnitt ausgeführt sind, so daß nach an sich bekanntem Effekt ihre Laufzeiten gegenüber gleich langen glatten Rohren vergrößert sind.

6. Elektroakustischer Richtwandler nach Anspruch 1 und insbesondere Anspruch 2 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Verzögerungsglieder voneinander abweichende obere Grenzfrequenzen haben, die so gestaffelt sind, daß dem der Membran nächsten Glied die höchste Grenzfrequenz zugeordnet ist und diese dann von Glied zu Glied abnimmt.

7. Elektroakustischer Richtwandler mit beiderseits beaufschlagter Membran und Maßnahmen nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch symmetrischen Aufbau des Systems, so daß beide Seiten der Membran über jeweils in Reihe geschaltete Verzögerungsglieder über jeweils mehrere Verbindungsöffnungen mit dem äußeren Schallfeld in Verbindung stehen.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Britische Patentschrift Nr. 774 003;
USA.-Patentschrift Nr. 2 789 651.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

© 009 697/367 12.60