DE1121116B - Kondensatormikrophon - Google Patents

Description

Die bekannten Kondensatormikrophone mit Richtcharakteristik besitzen nur eine geringe Eigenkapazität (etwa 30 bis 100 pF), so daß sie zur Erzielung einer ausreichenden Ausgangsspannung mit der ersten Verstärkerstufe zu einer Einheit zusammengebaut werden müssen oder mit dem zugehörigen Verstärker nur über ganz kurze Leitungen verbunden werden können. Daraus resultiert in einem Falle ein verhältnismäßig großes Mikrophongehäuse, im anderen Falle eine Verringerung der Ausgangsspannung, wenn die Kabelkapazität sich der Eigenkapazität des Mikrophons nähert. Einer Vergrößerung der Abmessungen einer solchen Kapsel für ein Kondensator-Richtmikrophon mit dem Ziel, die Eigenkapazität zu erhöhen, stellte sich die Tatsache gegenüber, daß zur Erzielung einer weitgehend frequenzunabhängigen Richtcharakteristik der Durchmesser der Kapsel größenordnungsmäßig etwa der Wellenlänge der höchsten zu übertragenden Frequenz entsprechen muß, weil nur dann der Druckgradient an der Membran bis zur höchsten übertragenden Frequenz linear verläuft. Die üblichen Kondensator-Richtmikrophone haben demnach einen Kapseldurchmesser von etwa 1,5 bis 3 cm und damit im Zusammenhange nur eine geringe Mikrophonkapazität.

Anderseits sind Kondensatormikrophone bekanntgeworden, die eine Membranfläche von etwa 40 cm² aufweisen und eine Kapazität von etwa 1000 pF erreichen, doch haben diese als Druckempfänger ausgebildeten Mikrophone keine frequenzunabhängige Richtwirkung. Sie könnnen aber infolge ihrer großen Eigenkapazität räumlich getrennt vom Verstärker angeordnet und mit diesem über ein langes Kabel (bis zu 10 m und darüber) verbunden werden.

Gegenstand der Erfindung ist demgegenüber ein Kondensator-Richtmikrophon, welches sowohl eine frequenzunabhängige Richtcharakteristik aufweist als auch eine hohe Eigenkapazität besitzt und das sich daher insbesondere zur Verwendung mit tragbaren Tonbandgeräten eignet, weil es ebenso wie ein dynamisches Mikrophon über ein langes Kabel an das Aufnahmegerät angeschlossen werden kann, aber gegenüber dem dynamischen Mikrophon den Vorteil der genaueren Umsetzung rasch verlaufender Schallvorgänge (Einschwingvorgänge) mit sich bringt. Der Bauart nach gehört das erfindungsgemäße Kondensator-Richtmikrophon zu jener Gruppe, bei denen die Membran beidseitig dem Schallfeld ausgesetzt ist und zur Erzielung einer Richtwirkung wenigstens ein phasendrehendes Glied vorgesehen ist. Gekennzeichnet ist das Mikrophon nach der Erfindung dadurch, Kondensatormikrophon

Anmelder:

Akustische u. Kino-Geräte
Gesellschaft m.b.H., Wien

Vertreter: Dipl.-Ing. W. Paap

und Dipl.-Ing. H. Mitscherlich, Patentanwälte,

München 22, Mariannenplatz 4

Beanspruchte Priorität:
Österreich vom 4. März 1959 (Nr. A 1706)

Dr. Rudolf Görike, Wien,
ist als Erfinder genannt worden

daß die Membran wenigstens 10 cm² Flächeninhalt besitzt und wenigstens eine der sie begrenzenden Seiten bzw. der Membrandurchmesser wesentlich größer sind, als es der Wellenlänge der höchsten Frequenz des Ubertragungsbereiches entspricht und daß die oberen Grenzfrequenz des phasendrehenden Gliedes angenähert jener Frequenz entspricht, bei welcher der Druckgradient seinen höchsten Wert erreicht.

Ist eine zweiseitige Richtwirkung erwünscht, dann wird ein akustischer Reibungswiderstand zwischen Membran und Elektrode allein oder in Kombination mit einem unmittelbar an der Rückseite der Elektrode angeordneten akustischen Reibungswiderstand vorgesehen.

In den Zeichnungen, die zum Teil den Stand der Technik erläutern bzw. den Gegenstand der Erfindung beschreiben, zeigt

Fig. 1 die Richtcharakteristik für ein als Druckempfänger ausgebildetes Kondensatormikrophon mit großer Membran,

Fig. 2 Frequenzkurven eines solchen Mikrophons, abhängig vom Einfallswinkel des Schalles,

Fig. 3 ein Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einseitiger Richtwirkung, zerlegt dargestellt,

109 758/375

Fig. 4 das Mikrophon zusammengebaut,

Fig. 5 ein Ausführungsbeispiel mit zwei Membranen,

Fig. 6 ein erfindungsgemäßes Mikrophon mit 8-Charakteristik,

Fig. 7 ein erfindungsgemäßes Mikrophon mit einer Vormembran zum Schütze gegen Feuchtigkeit,

Fig. 8 ein umschaltbares Mikrophon,

Fig. 9 ein erfindungsgemäßes Mikrophon für stereophonische Aufnahmen,

Fig. 10 die Richtcharakteristik eines solchen Mikrophons,

Fig. 11 eine Variante des Mikrophons nach Fig. 9, Fig. 12 die zugehörige Richtcharakteristik,

Fig. 13 und 14 Frequenzkurven im rechtwinkeligen Koordinatensystem,

Fig. 15 eine Polarkoordinatendarstellung des Frequenzganges,

Fig. 16 ein Mikrophon mit einer langen, schmalen Membran, ao

Fig. 17 die zugehörige Richtcharakteristik für höhere Frequenzen und

Fig. 18 ein Mikrophon in Form eines Sechskantbleistiftes.

An Hand der vorgenannten Figuren soll nun der Gegenstand der Erfindung näher erläutert werden.

Wie bereits eingangs erwähnt, sind Kondensatormikrophone als Druckempfänger mit einer großen Membran bereits bekannt. In Fig. 1 ist die Richtcharakteristik eines Mikrophons in Polarkoordinaten für verschiedene Frequenzen dargestellt, dessen Membran 4,5 · 9 cm groß ist. Man erkennt die Zunahme der Richtwirkung mit zunehmender Frequenz. In Fig. 2 sind die Frequenzkurven desselben Mikrophons für verschiedene Einfallswinkel des Schalles in Polarkoordinaten dargestellt.

Mit einem derartigen Empfänger muß der Klangcharakter der Schallaufnahme von der Entfernung der Schallquelle vom Mikrophon abhängen, da der Anteil des direkten vom indirekten Schall entfernungsabhängig wird. Überdies sind die Schallaufnahmen mit einem derartigen Mikrophon durch übertriebene Nachhallwirkung unnatürlich. Es setzte sich daher allgemein die Ansicht durch, daß zur Erzielung einer frequenzunabhängigen Richtwirkung der Empfänger klein im Verhältnis zur Wellenlänge der höchsten zu übertragenden Frequenz sein muß.

Die Erfindung bricht mit dieser Ansicht, denn infolge der nachstehend beschriebenen erfindungsgemäßen Maßnahmen ist es möglich, auch ein Kondensatormikrophon mit einer verhältnismäßig sehr großen Membran zu einem Mikrophon mit frequenzunabhängiger Richtwirkung auszubilden. Gemäß der Erfindung handelt es sich um ein Mikrophon, dessen Membran beiderseits dem Schallfeld ausgesetzt ist und wobei man trotz großer Membranfläche eine hinreichend frequenzunabhängige Richtcharakteristik erzielt. Eine fehlerfreie Schallaufnahme ist damit auch in akustisch ungünstigen Räumen möglich. Es hat sich ferner gezeigt, daß Kabellängen bis zu 20 m erst einen Verlust von etwa 4 db brachten. Dabei tritt bekanntlich keine Frequenzgangbeeinflussung auf, da zwischen der Mikrophonkapazität und der Kabelkapazität nur eine Spannungsteilung auftritt.

Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist die Ver-Wendung einer zweiten Membran, die elektrisch wirksam oder unwirksam sein kann. Im ersten Falle können verschiedene Richtcharaktistiken in an sich bekannter Weise durch Änderung der Polarisationsspannung eingestellt werden.

Auch kann das Mikrophon durch Verwendung zweier Membranen zu einem Stereomikrophon gemacht werden, das auf zwei getrennten Kanälen arbeitet.

Überdies kann das Mikrophon, z. B. für Diktiergeräte, auch als Schallgeber verwendet werden. Weiter ist es möglich, infolge der großen Kapazität des Mikrophons einen Transformator anzuschließen, oder es kann ein mit dem Mikrophon zusammengebauter Transistorverstärker verwendet werden, der auch die Polarisationsspannung erzeugen kann und eine so hohe Tonfrequenzausgangsspannung erzeugt, daß man die Wechselspannung auf ungeschirmte Leitungen übertragen kann.

Die Richtwirkung eines Druckempfängers ist bekanntlich so lange kugelförmig, solange die Wellenlänge des Schalles klein gegenüber den Abmessungen des Empfängers ist. Darüber tritt durch Druckstau eine mit der Frequenz zunehmende Richtwirkung auf. Weiter ist bekannt, daß der Druckgradient als antreibende Kraft in einer beiderseits dem Schallfeld ausgesetzten Membran so lange linear ansteigt, bis die halbe Wellenlänge des Schalles etwa gleich dem Schallumweg um das Mikrophon herum, also von der Vorderseite der Membran herum zur Rückseite der Membran, ist. Die beiden geschilderten Effekte treten nahezu bei derselben Frequenz auf, d. h. dort, wo der Druckgradient seinen höchsten Wert erreicht, beginnt das Mikrophon eine Richtwirkung durch Druckstau zu zeigen. Da die Grenzen fließend sind, ist der Übergang nicht streng definiert, so daß es besser erscheint, die entsprechend weit oberhalb und unterhalb der kritischen Frequenz auftretenden Erscheinungen zu betrachten und dann Rückschlüsse auf das Verhalten an der Grenzfrequenz zu ziehen.

Bei einer Frequenz, bei der der Schallumweg etwa der Wellenlänge entspricht, ist die antreibende Kraft an der Membran durch den Druckgradienten theoretisch Null. Jedoch ist bei derselben Frequenz, der Druckstau an der Vorderseite der Membran bereits wirksam, so daß die resultierende antreibende Kraft an der Membran größer als Null ist. Praktische Versuche haben ergeben, daß im wesentlichen keine störenden Erscheinungen auftreten. Bei einer Membranfläche von etwa 40 cm² beträgt die kritische Frequenz etwa 2000 Hz.

Wie aus den Fig. 1 und 2 hervorgeht, ist oberhalb 2000 Hz bereits eine einseitige Richtwirkung vorhanden, so daß Maßnahmen getroffen werden müssen, um unter 2000 Hz eine einseitige Richtwirkung zu erzielen. Wenn die Membran achterförmige Richtwirkung hat, treten die Richtwirkungen oberhalb etwa 2000 Hz auf beiden Seiten der Membran auf.

Bei kleinen Mikrophonen ist es bekannt, die einseitige Richtwirkung durch ein /?C-Glied auf die zweiseitige Richtwirkung durch ein 7?-Glied an der Membran zu erzeugen. Bei der Erfindung wird ebenfalls hiervon Gebrauch gemacht, jedoch sind diese Maßnahmen erfindungsgemäß nur im Frequenzbereich unter etwa 2000 Hz wirksam.

An Hand der Fig. 3 wird ein erstes Ausfuhrungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Die Figur zeigt ein Kondensatormikrophon mit einseitiger Richtwirkung in seinen Einzelteilen. In einem aus Blech bestehen-

den Gehäuse 1, dessen Boden perforiert ist, sind eine oder mehrere Lagen eines flächenhaften akustischen Reibungswiderstandes 2, z. B. Filtrierpapier, eingelegt. Darauf ist die Wanne 3 z. B. aus Kunststoff angeordnet, deren Boden ebenfalls Löcher aufweist. Ein elastischer Dichtungsrahmen 4 aus Kunststoff ist in die Wanne eingesetzt. Die perforierte Elektrode 5 mit parallel liegenden Distanzfäden 6, z. B. aus Perlon von etwa 20 μ Stärke sitzt auf dem Dichtungsrahmen 4 auf. Über die Elektrode 5 ist die Mem- ίο bran 7 durch Klebung am Rand gespannt, deren der Elektrode abgewandte Seite einen aufgedampften Metallbelag aufweist. Die vordere Gehäuseschale 8 mit dem Schutzgitter 8a oder Öffnungen bildet den Abschluß. Das Kabel 9, z. B. eine einpolig abgeschirmte Kunststoffleitung von etwa 1,5 m Länge oder mehr, führt zum Verstärker.

In Fig. 4 ist das Mikrophon nach Fig. 3 im zusammengebauten Zustand schematisch dargestellt. Die Membran 7 stützt sich auf die Fäden 6 und am Rande der Elektrode 5 ab. Der Hohlraum 13 und der akustische Reibungswiderstand 2 bilden das phasendrehende Glied, welches erfindungsgemäß für Frequenzen unter 2000 Hz wirksam ist und in diesem Bereich die einseitige Richtcharakteristik liefert.

Fig. 5 zeigt ein Mikrophon mit zwei Membranen 7 a und 7 b, von denen entweder nur eine Membran oder beide Membranen elektrisch wirksam sind. Bei zwei elektrisch leitenden Membranen können bekanntlich verschiedene Richtcharakteristiken auch durch elektrische Fernsteuerung eingestellt werden. Zwischen den Elektroden 5 α und 5 b kann ein Reibungswiderstand 10 angeordnet sein.

In Fig. 6 ist ein Mikrophon mit 8-förmiger Richtcharakteristik dargestellt, dessen Membran 17 nur eine perforierte Elektrode 18 als akustisch wirksames Element enthält. Der Reibungswiderstand entsteht zwischen der Membran und der perforierten Elektrode. Überdies kann zusätzlich ein weiterer Reibungswiderstand 19 angeordnet sein. Zum Schutz gegen Feuchtigkeit kann bei einem Mikrophon gemäß Fig. 4 eine schlaffe, dünne, elastische Membran 20 angebracht sein (Fig. 7). Zur Veränderung der Richtcharakteristik kann erfindungsgemäß ein mechanisch zu betätigender Schuber 21 vorgesehen sein (Fig. 8). Werden die Öffnungen des Gehäuses 22 geschlossen, entsteht aus der einseitigen eine kugelförmige Richtcharakteristik, die jedoch die eingangs geschilderten Nachteile der frequenzabhängigen Charakteristik aufweist, jedoch zur Erzielung bestimmter akustischer Effekte erwünscht sein kann. Der Mechanismus kann auch dazu dienen, für Schallaufnahme und Wiedergabe die beste Klanggüte zu erreichen.

Auch für Stereoaufnahmen kann das Mikrophon nach Fig. 5 verwendet werden, wenn dafür gesorgt wird, daß gemäß Fig. 9 die beiden Membranen an getrennte Übertragungskanäle I und II angeschlossen werden. Dabei wird das Mikrophon mit den Membranflächen in Richtung zur Schallquelle orientiert. Die Richtwirkung ist in Fig. 10 dargestellt. Jedoch können für stereophonische Aufnahmen auch zwei erfindungsgemäße Einzelmikrophone, die für Aufnahme nach dem Intensitätsverfahren eng nebeneinander, für A-B-Stereophonie im Abstand unter einem zweckmäßig 90gradigen Winkel, verwendet werden.

Es können die Membranen auch gegeneinander geneigt sein, eine Anordnung, die bereits bei Kleinmikrophonen durchgeführt wurde (Fig. 11). Die Charakteristiken sind naturgemäß ebenfalls geneigt, wie Fig. 12 zeigt. In Fig. 13 sind die mit den erfindungsgemäßen Mikrophonen erzielten Frequenzkurven für 0, 45, 90, 135 und 180° Schalleinfall dargestellt, während Fig. 14 die Frequenzkurven für ein Mikrophon gemäß der Erfindung mit 8-förmiger Richtcharakteristik für 0, 90 und 180° darstellt. In Fig. 15 wird die Eigenschaft eines Mikrophons mit einseitiger Richtcharakteristik gemäß der Erfindung in Polarkoordination wiedergegeben. Ohne den Rahmen der Erfindung zu sprengen, können die Proportionen der Membran beliebig gestaltet werden; so kann auch eine kreisrunde oder eine ovale Form gewählt werden, wenn nur gemäß der Erfindung die Fläche der Membran so groß ist, daß die Kapazität etwa 1500 pF oder mehr beträgt. Wird die Form gemäß Fig. 16 gewählt, dann entsteht eine in Fig. 17 dargestellte Richtcharakteristik für die höheren Tonfrequenzen, was für bestimmte Anwendungszwecke vorteilhaft sein kann. Die Fig. 18 zeigt vergrößert ein Kondensatormikrophon in Form eines Sechskantbleistiftes. Eine Sechskanthülse 21 ist an allen Seitenflächen perforiert und dient als Elektrode; auf ihr sind Distanzfäden 22 gewickelt und darüber im Bereich von drei benachbarten Seitenflächen außen die Membran 23 gespannt. Die den drei der Membran 23 gegenüberliegenden Seitenflächen sind in der Hülse mit einem Filterpapier 24, Textileinlage od. dgl. als akustischer Widerstand ausgekleidet. Die Enden der Hülse sind verstöpselt, was nicht dargestellt ist.

Claims (4)

PATENTANSPRÜCHE:

1. Kondensatormikrophon mit einseitiger oder doppelseitiger Richtcharakteristik, mit wenigstens einer dem Schallfeld beiderseits ausgesetzter Membran und einem zwischen der Membranrückseite und dem äußeren Schallfeld liegenden phasendrehenden Glied, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (7) wenigstens 10 cm² Flächeninhalt besitzt und wenigstens eine der sie begrenzenden Seiten bzw. der Membrandurchmesser wesentlich größer sind, als es der Wellenlänge der höchsten Frequenz des Übertragungsbereiches entspricht, und daß die obere Grenzfrequenz des phasendrehenden Gliedes (13, 2) angenähert jener Frequenz entspricht, bei welcher der Druckgradient seinen höchsten Wert erreicht.

2. Kondensatormikrophon nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzielung einer doppelseitigen Richtcharakteristik ein akustischer Reibungswiderstand zwischen Membran (17) und Elektode (18) allein oder in Kombination mit einem unmittelbar an der Rückseite der Elektrode angeordneten akustischen Reibungswiderstand (19) vorgesehen ist (Fig. 6).

3. Kondensatormikrophon nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Mikrophon zwei Membranen besitzt, die symmetrisch angeordnet sind, von denen eine elektrisch unwirksam sein kann.

4. Kondensatormikrophon nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine sechskantige, allseits gelochte Metallhülse (21) annähernd in der Größe eines Bleistiftes als Elektrode mit Fäden (22) aus Seide, Kunststoff

od. dgl. im Abstand umgeben ist, über die im Ausmaß von drei benachbarten Sechskantseiten die Membran (23) gespannt ist, wogegen die übrigen drei Seiten im Hülseninneren mit Filterpapier (24), Textilstoff od. dgl. als akustischer

Widerstand ausgelegt um die beiden Enden der Hülse verschlossen sind.

In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Auslegeschrift Nr. 1 044 170.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen