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Verstärkerschaltung für kapazitive Mikrophone Das menschliche Gehör
ist für tieffrequente Schallwechseldrücke und für Gleichdrücke, wie sie z. B. bei
Wind auftreten, weitgehend unempfindlich. Die in der Natur vorkommenden tiefstfrequenten
Schalldrücke können den normalen Hörschall um mehrere Größenordnungen übertreffen.
Besäße das Gehör für diese Komponenten die gleiche Empfindlichkeit wie für den mittleren
Hörbereich, so könnten sie häufig den normalen Hörvorgang beträchtlich stören.
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Im Gegensatz zum Gehör darf das übertragungsmaß eines guten Mikrophons
im Bereich der hörbaren Frequenzen nicht auch schon einen derartigen Abfall aufweisen
und genießt daher nicht jenen natürlichen Schutz gegen überhöhte tieffrequente Schalldruckkomponenten.
Bei hochwertiger Musikübertragung wird im allgemeinen eine untere Grenzfrequenz
von 30 bis 40 Hz für den Übertragungsweg, d. h. also auch für das Mikrophon, gefordert.
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Die Erfahrung hat gezeigt, daß insbesondere bei Mikrophonen, deren
schwingendes System tiefabgestimmt und massengehemmt (z. B. dynamisches Gradientenmikrophon)
oder mittenabgestimmt und reibungsgehemmt (z. B. elektrostatisches Gradientenmikrophon)
ist, ein bis zu tiefen Frequenzen ausgedehnter Frequenzbereich mit einer starken
Wind-und Trittschallempfindlichkeit des Mikrophons erkauft werden muß.
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Zur Abhilfe werden bisher folgende bekannte Maßnahmen angewandt: Beispielsweise
sperrt ein der Mikrophonröhre nachgeschalteter elektrischer Hochpaß die überhöhten
tieffrequenten Komponenten. Diese Maßnahme hat jedoch den Nachteil, daß etwaige
übersteuerungen der Mikrophonröhre hiermit nicht verhindert werden können.
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Man hat auch für das Mikrophon eine meist als »Windschutz« bezeichnete
Umhüllung aus Draht-oder Textilgeflecht verwendet, die bewirkt, daß sich tiefstfrequente
Schallwechseldrücke und Luftströmungen um diese Hülle herum ausgleichen, ohne das
Mikrophon zu beaufschlagen. Tieffrequenter Körperschall wird durch eine elastische
Aufhängung des Mikrophons von diesem ferngehalten. Diese beiden Maßnahmen haben
jedoch den Nachteil, daß wesentlich größere Abmessungen in Kauf genommen werden
müssen, außerdem ist eine hinreichend weiche Aufhängung des Mikrophons oft aus betrieblichen
Gründen nicht tragbar.
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Es ist auch bekannt, bei Kondensator- und piezoelektrischen Mikrophonen
den Eingangswirkwiderstand des Mikrophonverstärkers (oft zugleich der Gitterableitwiderstand
der Mikrophonröhre) so weit zu verkleinern, daß tieffrequente Anteile vorzugsweise
schon am Innenwiderstand der Mikrophonkapsel abfallen. Durch diese Maßnahme wird
jedoch die Ersatzlautstärke besonders des Kondensatormikrophons erheblich verschlechtert,
denn je größer der Eingangswiderstand des Mikrophonverstärkers bei gegebener Kapselkapazität
ist, bis zu um so tieferen Frequenzen wird das Widerstands- und Gitterstromrauschen
von der parallel geschalteten Kapselkapazität elektrisch kurzgeschlossen.
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Man hat auch schon das schwingende System des Druckgradienten-Kondensatormikrophons
höher abgestimmt. Durch Schaffung eines nur für niedrige Frequenzen wirksamen akustischen
Umweges wird bei niedrigen Frequenzen der antreibende Druckgradient in gleichem
Maße vergrößert, wie der mechanische Widerstand des schwingenden Systems ansteigt.
Allerdings läßt sich diese Maßnahme nicht beliebig weit treiben, wenn die üblichen
Mikrophonabmessungen eingehalten werden sollen.
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Bekannt ist es ferner, durch eine Spannungsgegenkopplung über ein
frequenzabhängiges Glied aus Widerstand und Kondensator von der Anode auf das Gitter
der Vorverstärkerröhre eine schon am Gitter wirksame Schwächung der tieffrequenten
Spannungsanteile zu erzielen, wobei der Kondensator dieses RC-Gliedes auch durch
die Kapsel selbst dargestellt werden kann. Hiermit läßt sich jedoch nur eine verhältnismäßig
geringe Flankensteilheit für den Abfall der Verstärkung zu niederen Frequenzen hin
erreichen,
und der Verstärkungsabfall muß schon bei einer verhältnismäßig hohen Frequenz einsetzen,
wenn die tieffrequenten Störspannungen wirksam geschwächt werden sollen. Eine Versteilerung
der Flanke durch die Reihenschaltung mehrerer RC-Glieder im Gegenkopplungsweg scheidet
aus, weil die Phasendrehung in derartigen Gliedern 90° überschreiten und oberhalb
einer bestimmten Frequenz einen Übergang in Mitkopplung ergeben würde.
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Zur Vermeidung dieser Nachteile wird die Verstärkerschaltung für kapazitive
Mikrophone erfindungsgemäß so ausgelegt, daß eine an sich bekannte, zu niederen
Frequenzen hin in ihrer Wirkung stetig zunehmende Gegenkopplung derart mit einer
in einem begrenzten, vorwiegend niederen Frequenzbereich wirksamen Mitkopplung kombiniert
wird, daß die Überlagerung beider Einflüsse der Schaltung den Charakter eines Hochpaßfilters
mit steiler Flanke verleiht. Diese Hochpaßwirkung wird im Gegensatz zu üblichen
Filterschaltungen ohne Verwendung von Induktivitäten lediglich durch eine Zusammenschaltung
von Widerständen und Kondensatoren mit der ohnehin benötigten Verstärkerröhre erreicht
und ist daher mit nur geringem Raumbedarf verknüpft. Während steilere Hochpässe
als sogenannte Trittschallfilter bisher nur ausgangsseitig der Mikrophonröhre nachgeschaltet
werden konnten und damit keinen Schutz gegen Übersteuerungen und gegen das gefürchtete
»Zustopfen« der Mikrophonröhre durch die bei. Wind, Trittschall usw. vorkommenden
großen Membranauslenkungen zu bieten vermochten, werden tieffrequente, in den Sperrbereich
dieses Hochpasses fallende Komponenten der Mikrophonspannung, vorwiegend Störspannungen
niederer und unterhalb des Hörbereichs liegender ; Frequenzen, schon vom Gitter
der Mikrophonröhre weitgehend ferngehalten, ohne daß dabei der Störspannungsabstand
verringert bzw. die Ersatzlautstärke des Mikrophons und seiner Schaltung vergrößert
wird und ohne daß gleichzeitig im angrenzenden Bereich oberhalb der Grenzfrequenz
ein Abfall der für die Qualität der Übertragung wichtigen Spannungsanteile erfolgt.
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Im einzelnen ist die Schaltung nach der Erfindung dadurch gekennzeichnet,
daß ein Teil der an der a Anode der Verstärkerröhre auftretenden Wechselspannung
zur Mitkopplung über eine drei- oder mehrgliedrige Kette aus Längswiderständen und
Querkondensatoren in an sich bekannter Weise nicht an das Gitter, sondern an den
Fußpunkt der Mikrophonkapsel, d. h. an den nicht am Gitter liegenden Anschluß der
Mikrophonkapsel zurückgeführt wird, die ihrerseits nicht direkt, sondern über den
letzten Querkondensator dieser Kette mit Nullpotential verbunden ist, während ein
weiterer Widerstand und ein Kondensator einen Gegenkopplungsweg darstellen.
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Die Einkopplung der rückgeführten Spannungen in den Fußpunkt der Mikrophonkapsel
bietet den Vorteil, daß der der Kapsel parallel geschaltete Widerstand, meist nur
der Gitterableitwiderstand der Verstärkerröhre, keine Veränderung erfährt und daß
die Maßnahmen nach der Erfindung daher keine Verschlechterung der Ersatzlautstärke
des Mikrophons zur Folge haben. Ebenso ist es auch ein besonderer Vorteil der neuen
Schaltung, daß der an den Ausgangsklemmen des Verstärkers meßbare Innenwiderstand
im gesamten Übertragungsbereich bis herab zur unteren Grenzfrequenz nahezu konstant
ist und erst unterhalb dieser Frequenz kleiner wird. Der Frequenzgang ist also nicht
wie bei anderen Schaltungen zur Tiefenbeschneidung von der jeweiligen Belastung
abhängig.
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Die Wirkungsweise der neuen Verstärkerschaltung wird an Hand der Abbildungen
ausführlich erläutert. Abb.l zeigt beispielsweise die Schaltung eines Kondensatormikrophons
mit einstufigem Vorverstärker; Abb. 2 und 3 zeigen Kurven für den Übertragungsfaktor
der Vorverstärkerstufe in Abhängigkeit von der Frequenz; Abb. 2 gibt den prinzipiellen
Verlauf und Abb.3 an einer Schaltung nach Abb. 1 gemessene Kurven wieder; Abb. 4
gibt die räumliche Anordnung der für die Mit- und Gegenkopplung benötigten Bauteile
bei einem Kondensatormikrophon wieder.
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Bei dem Verstärker nach Abb. 1 liegt das Mikrophon M als Generator
am Gitter der Röhre Rö, die ihre Gittervorspannung Ug über den Gitterableitwiderstand
Rg erhält. Zur Zuführung der zum Betrieb des Kondensatormikrophons benötigten Polarisationsspannung
dient der Widerstand Rp.
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Die Mitkopplung von der Anode der Mikrophonröhre zum Fußpunkt der
Mikrophonkapsel zur Rückführung eines Teiles der an der Anode auftretenden Spannung
U besteht beispielsweise aus der dreigliedrigen Kette mit den Längswiderständen
R1 bis R3 und den Querkondensatoren C, bis C3. Der nicht am Gitter der Röhre Rö
liegende Anschluß der Kapsel ist nicht direkt, sondern über den letzten Querkondensator
der Kette, den Kondensator C3, mit Nullpotential verbunden. Der Kondensator Ct dient
lediglich als Trennkondensator für die Polarisationsspannung.
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Die an der Anode auftretende Wechselspannung ist bekanntlich gegenüber
der angelegten Gitterwechselspannung um 180° in der Phase verschoben. Die vorgenannte
drei- oder mehrgliedrige Kette wird so bemessen, daß ihre Gesamtphasendrehung bei
einer vorzugebenden Grenzfrequenz, vorzugsweise bei etwa 40 Hz, nochmals 180° beträgt.
Zusammen mit der 180°-Phasendrehung durch die Röhre ergibt sich ein Gesamtwert von
360° und damit Mitkopplung und eine Überhöhung im Frequenzgang von mehreren Dezibel
bei 40 Hz. Im Falle der dreigliedrigen Kette kann man z. B. jedes Glied für eine
Phasendrehung von etwa 60° auslegen. Die Berechnung erfolgt in ähnlicher Weise wie
für einen Phasenschiebergenerator. Ein solcher Generator benötigt indessen, um schwingen
zu können, einen Verstärkungsfaktor der Röhre von 29 im Falle der dreigliedrigen,
von 18,4 im Falle der viergliedrigen Kette, sofern sich diese aus untereinander
gleichen Gliedern zusammensetzt. Im Falle des Mikrophonverstärkers wird dieser Verstärkungsfaktor
bewußt geringer gehalten und noch durch einen Gegenkopplungsweg frequenzabhängig
zu niedrigen Frequenzen hin reduziert, so daß keine Selbsterregung eintreten kann.
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Der dem Mitkopplungsweg sich überlagernde Gegenkopplungsweg führt
über den Widerstand R, und den Kondensator C3 und hat - für sich allein -einen zu
niedrigen Frequenzen abfallenden Frequenzgang des Übertragungsfaktors der Schaltung
zur Folge, der etwa der Kurve A in Abb. 2 entspricht. Würde nur über die mehrgliedrige
Kette rückgekoppelt, so ergäbe sich ein Frequenzgang entsprechend
der
Kurve B, d. h., für höhere Frequenzen wird die Kette in zunehmendem Maße undurchlässig
und unwirksam. Beiderseits einer vorzuschreibenden Grenzfrequenz f 1, vorzugsweise
etwa 40 Hz, ist eine in ihrer Größe vornehmlich von der Verstärkung der Röhre abhängige
Mitkopplung wirksam (rp = 360° bei f,), die zu niedrigen Frequenzen hin mit zunehmender
Phasendrehung wieder abnimmt und für (@ > 450" wieder in Gegenkopplung übergeht.
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Die Glieder der beiden Rückkopplungswege sind so bemessen, daß sich
oberhalb der Grenzfrequenz f 1 von beispielsweise 40 Hz der Abfall der Gegenkopplung
(Ra;, C3) und der Anstieg der Mitkopplung (R1, Cl . . . R3, C.;) ausgleichen und
einen horizontalen Verlauf der Frequenzkurve ergeben. Unterhalb der Grenzfrequenz
f 1 = 40 Hz bewirken beide Rückkopplungswege einen Abfall der Kurve, und die Verstärkung
nimmt trotz der zusätzlich zu den beiden Rückkopplungswegen vorhandenen frequenzunabhängigen
Gegenkopplung (kapazitiv von der Anode über die Gitter-Anoden-Kapazität der Röhre
Rö auf die Kapsel M und die mit dieser in Reihe liegenden Kondensatoren C, und C3)
schnell sehr kleine Werte an (bei 20 Hz 9 bis 10 db), ohne daß es dazu eines LC-Gliedes
bedarf. Eine überlagerung beider Rückkopplungen ergibt daher bei passender Dimensionierung
einen Frequenzgang entsprechend der Kurve C in Abb. 2.
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Die Flankensteilheit einer Schaltung nach Abb. 1 kann recht hoch getrieben
werden; sie kann, wenn dies erwünscht ist, durch eine zusätzliche frequenzunabhängige
Gegenkopplung beliebig vermindert werden.
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Sowohl die Grenzfrequenz der gesamten Anordnung als auch die Grenzfrequenz
des Gliedes Rx, C3 kann in einfacher Weise umschaltbar gemacht werden. Im ersten
Fall wird der Wert des Kondensators C, und eventuell einer der Widerstände R1 bis
R3, im zweiten Fall der Wert des Widerstandes R, stufenweise oder kontinuierlich
geändert.
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Für die übertragung von Musik und Sprache kommt der zweiten Möglichkeit,
insbesondere bei Richtmikrophonen, die nach dem Druckgradientenprinzip bzw. ganz
oder teilweise als Schnelle-Empfänger arbeiten, eine große Bedeutung zu. Da der
Druckgradient im ebenen Schallfeld mit der Kreisfrequenz (o ansteigt, im Kugelschallfeld
jedoch frequenzunabhängig wird, besitzen bekanntlich solche Mikrophone bei Nahbesprechung
eine beträchtliche Empfindlichkeitszunahme für niedrige Frequenzen. Beispielsweise
steigt die abgegebene Spannung eines Druckgradientenempfängers für einen Besprechungsabstand
von 10 cm bei 40 Hz auf das Zehnfache, verglichen mit der Spannung bei 1000 Hz und
gleichem Schalldruck.
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Da das Mikrophon gerade bei einer derartigen Nahbesprechung ohnehin
oft mit Schalldrücken von 100 [,b und mehr beaufschlagt wird, Schalldrücken, die
die Kapsel zwar stets gut, die Vorverstärkerröhre jedoch nicht immer verzerrungsfrei
verarbeiten kann, ist es ein Vorteil, wenn die genannte Bevorzugung der niedrigen
Frequenzen schon am Gitter der Mikrophonröhre durch eine frequenzabhängige Gegenkopplung
nach der Erfindung kompensiert wird, die Röhre also weniger leicht übersteuert werden
kann.
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Bei der Schaltung nach Abb. 1 wird der Schalter Si im allgemeinen
bei der Nahbesprechung von Richtmikrophonen der genannten Art geschlossen und damit
dem Widerstand R,. der Widerstand Ry parallel geschaltet werden, was einen »im Nahfeld
linearen« Frequenzgang des übertragungsfaktors zur Folge hat.
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Mit dem Schalter S, kann die Tiefenbeschneidung unwirksam gemacht
werden, z. B. wenn bei einer hinreichend störschallsicheren Mikrophonaufstellung
Orgelaufnahmen in einem bis unterhalb 30 Hz erweiterten Frequenzbereich gemacht
werden sollen (vgl. Kurve D in Abb. 2). Durch Öffnen des Schalters S., wird
der Verstärkerfrequenzgang beispielsweise bis 20 Hz linearisiert.
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Schließlich kann auch durch Wahl eines größeren Wertes für Rx oder
eine entsprechende Umschaltung ein erwünschter Verstärkungsanstieg zu niedrigen
Frequenzen hin bis zur Grenzfrequenz f l, etwa im Sinne der Kurve B (Abb.
2), erreicht und beispielsweise zum Ausgleich eines zu geringen Mikrophonübertragungsfaktors
im gleichen Bereich ausgenutzt werden.
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Die Abb.3 zeigt Meßwerte, die sich bei einer Schaltung nach Abb. 1
ergeben haben. Die Kurven A bis D wurden unter den gleichen Randbedingungen aufgenommen,
wie sie vorstehend für die Kurven in Abb. 2 angegeben sind.
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Die Kurve E ergibt sich aus der Kurve C, wenn zusätzlich noch eine
frequenzunabhängige Gegenkopplung von etwa 3 db eingeführt wird. Die Kurve F stellt
sich ein, wenn der Widerstand R., durch Parallelschalten des Widerstandes R, mittels
des Schalters S, auf etwa ein Drittel seines ursprünglichen Wertes verkleinert wird.
Mit einem Frequenzgang gemäß der Kurve F kann beispielsweise der Tiefenanstieg eines
aus etwa 35 cm Abstand besprochenen Druckgradientenmikrophons kompensiert werden.
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Bei der beispielsweise in Abb. 4 wiedergegebenen Teilansicht eines
geöffneten Kondensatormikrophons haben die Bezugszeichen die gleiche Bedeutung wie
bei der in Abb. 1 dargestellten Schaltung. Es sind nur die den Frequenzgang bestimmenden
Bauelemente auf der in gedruckter Schaltung ausgeführten Schaltplatte des Mikrophon-Vorverstärkers
und der ebenfalls auf dieser Platte angeordnete Ausgangsübertrager fl dargestellt.
Alle für die Erfindung unwesentlichen Teile des Mikrophons wurden weggelassen. Der
Raumbedarf für die sieben Bauelemente in der gezeigten Anordnung beträgt 30 X 24
X 6 mm. Ein Hochpaß für 40 Hz in der üblichen Bauart mit Spulen und Kondensatoren
kann nicht auf gleichem Raum untergebracht werden.
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Bei der neuen Verstärkerschaltung können an Stelle der Elektronenröhre
Rö auch ein oder mehrere Transistoren verwendet werden.