DE3010313C2 - Richtmikrophon - Google Patents

Description

30 1

3 f: ι ί

\S beträgt etwa ein Zehnie! d£r Masse einer Membran mit

g krfj^qrrty>

ρ · π' r⁴ ·

Q ..j^ Luftdichte=^I^ -IQ-³CgS ■r r= Membranradius in cm

ς_ = Schallgeschwindigkeit=344 m/s

für eine Membran von 3 cm Durchmesser die entsprechenden Werte ein, dann ergibt sich ein Strahlungswiderstand

Rs = 0,11 für 100 Hz, ein
Rs = 0,44 für 200 Hz und ein
Rs = 11 für 1000 Hz.

Das logarithmische Dekrement ergibt sich aus der Formel

Rn

M-

in der

R = Reibungskraft

M = Masse des schwingenden Systems

Resonanzfrequenz des schwingenden Systems.

CD,

Die Masse einer Membran mit Tauchspule beträgt bei einem Durchmesser von 3 cm etwa 0,12 g. die Masse einer gleich großen, flächenförmigen Membran hingegen nur 0,012 g. Setzt man diese Werte in vorstehende Formel ein, ergibt sich für eine Membran mit Taucbspule ein Dekrement c/= 0,045, für die flächenförmige Membran hingegen ein solches von 0,45. Dieser Wert liefert bereits einen wesentlichen Beitrag zur Bedämpfung des schwingenden Systems, insbesondere wenn es sich um ein vorwiegend massegehemmtes System handelt, wogegen der Wert von 0,045 für eine Membran mit Tauchspule für die Dämpfung des schwingenden Systems keine wesentliche Rolle spielt. In der Praxis wirkt sich diese geringe Dämpfung durch eine störende Empfindlichkeit des Mikrophons gegenüber mechanische, von außen kommende Impulse auf das Gehäuse und gegen Li'ftdruckimpulse aus, wie sie bei Nahbesprechung des Mikrophons vorkommen. Der erfindungsgemäße Wandler mit der leichten, ebenflächigen Membran weijt diese Nachteile nicht auf. Sein besonderer Vorteil ist jedoch die hohe Impulstreue, die sich bei der Übertragung von Musik und Sprache deutlich bemerkbar macht. Auch das zu den elektrodynamischen Wandlern zählende Bändchenmikrophon, bei dem ein metallisches Bändchen von etwa 2 μ Dicke , das schwingende. System, darstellt, zeigt infolge der extrerr\en," Leichtigkeit des ,Baridchehs ejfi sehr.gutes .ImpulsvJerhaiteri. ,Es ist jeclocH kauri] m'oglichj 'Kippschwingungen, des Bahdcjiehs, die ÜbertfagungsfehW hervorrufen, zu unterbinden; Beim 'erfindlmgsgemäßen Wandler.,der im weiofidlchen nur eitle radial schwach gespannte, äujjersi dünnt!'.'Membran daYsVelff. treten 0313

Oi ⁴

derartige Schwierigkeiten ficht auf. Zusammenfassend kann gesagt werden, daß der erfindungsgernäße Wandler in seiner Ausbildung als Richtmikrophon einen Frequenz- und Phaserigaiig sowib ein Impulsverhalten aufweist, der, bzw. das dem eines Kondensaiormikrophonsäquivalent ist ^; ' ,.'' ' '

Da der erfitidungsgemSße "Wandler nach dem elektrodynamischen. Prinzip arbeitet, bedarf es der Anordnung von Laufzeitgfiederjr, die die Membranhem-

mung so beeinflussen, daß das Übertragungsmaß frequenzunabhängig wird. Berm Täucnspulenmikrophon gelingt die Erfüllung der Bedingung für ein frequenzunabhängiges Übertragungsmaß' infolge der Masse des schwingenden Systems durch Aneinä'riderrei-

hung von Resonanzkreisen nur unzureichend.'¹ Außerdem muß zur Erweiterung des Frequenzbereiches'nach oben mit vor der Membran angeordnetem Helmholtzresonator gearbeitet werden.
Beim Wandler gemäß der Erfindung, dessen ebenflächige Membran nur ein Zehntel der Masse einer Membran nirt Tauchspule aufweist, sind Verbindungen mit akustischen Laufzeitgliedern .:^!enso frei von störenden Einflüssen wie bei einem kapazitiven Wandler. Im Prinzip sind die akustischen Laufzeitglieder vom RC bzw. LR Typ beim elektrostatischen Wandler und beim elektrodynamischen Wandler, soferne üoereinstimmende Richtcharakteristiken angestrebt werden, einander ähnlich, sie unterscheiden sich praktisch nur durch die Dimensionierung. FSr den Fall der einseitigen Richtcharakteristik, die man sich aus der vektoriellen Addition einer Kugel- und einer Achtercharakteristik herleiten kann, muß beim Elongationsempfänger(z. B. einem Kondensatormikrophon)das schwingende System für eine Kugelcharakteristik elastisch gehemmt sein, wogegen für die Achtercharakteristik die Reibungshemmung erforderlich ist. Beim Schnelleempfänger, also einem elektrodynamischen System wie beim erfindungsgemäßen Wandler, ist für em« einseitige Richtcharakteristik Reibungs- und Massehemmung vorzusehen. Dies bedingt, daß bei gleicher Mcmbr^nfläche, die kapazitiven Elemente des Laufzeitgliedes, also die Hohlraumvolumina, beim elektrodynamischen Wandler etwa den dreißig- bis hundertfachen Wert gegenüber denen bei einem elektrostatischen Wandler aufweisen müssen. Diese Forderung ist aber durchaus erfüllbar, denn bei einem kapazhiven Wandler von beispielsweise 32 mm Durchmesser machen die Hohlraumvolumina nur etwa 0.2 cm¹ aus. so daß die vorstehend angeführte Bedingung beim Schnelleempfänger erfüllbar ist. ohne das Mikrophon allzu voluminös machen /u müssen. Abgesehen davon ist mit weiteren Fortschritten in der Technologie der gedruckten Schaltungen in der nächsten Zukunft zu rechnen, so daß Membranflächen unter 8 CnV erreicht werden könne ■, und zwar durch Verringerung der Leiterbreite und durch Verkleinerung des Abstandes zwischen den Leitern. Damit verengert sich weiterhin nicht nur die Masse der Membran, sondern es ergibt »ich auch ein günstiger Innenwiderstand des Wandlers zwischen 200 und 600 Ohm.

Den nachstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen gemäS der Erfindung ist zu entnehmen» ckß bei diesen die Ankopplung der¹ akustischen Element!, z. B. der Hohlräume,¹ der'Reibungswiderstäfuiei.odei der

^b3 akustischen MasseVi' wesentlich !übersichtlicher, und präziser durchzuführen ist nls; bet.;einem· {Uhl.ichen

^: Tauehspülenmikrophön. Besön(ftis einfaehx'igestiiitet sich durch die erfindungsgemäße leichta Membran die

Erweiterung des Frequenzbereiches nach oben zu den höchsten Frequenzen, da infolge der Ebenflächigkeit der Membran an ihrer Rückseite eine sehr niedere Luftkammer mit eingebauter akustischer Dämpfung ausgebildet werden kann, deren Rückstellkraft an der oberen Grenze des Übertragungsbereiches eine breite, sich über etwa zwei Oktaven erstreckende Resonanzkurve liefert. Damit erübrigt sich die bei Tauchspulenmikrophonen unerläßliche Anordnung: eines Helmholtzresonators vor der Membran, der außerdem oberhalb " seiner Resonanzfrequenz einen steilen Abfall des f-requenzganges herbeiführt.

Die niedere Luftkammer hinter der Membran ist beim ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung gegenüber der Membranrückseite von einem großflächigen akusti- ι sehen Reibungswiderstand begrenzt, der andererseits einen großen, im tiefen Frequenzbereich akustisch wirksamen Hohlraum abschließt. Außerdem führt aus der niederen Luftkammer hinter der Membran ein geschlitztes Rohr mit über seine Länge verteilte, mit -¹' Reibungswiderständen versehene Öffnungen ins Freie, welche Anordnung zur Ausbildung der einseitigen Richtcharakteristik beiträgt.

Bei einem anderen Ausführungsbeispiel ist an der der Membranrückseite zugewandten gelochten Bodenplat- ^!' te des Magnetsystems ein akustischer Reibungsv<iderstand angebracht, der in eine Kammer führt, die über einen Reibungswiderstand mit der Außenluft in Verbindung steht. Ferner ist unmittelbar am die Bodenplatte ein Rohr angeschlossen, das in einen großen, im tiefen Frequenzbereich akustisch wirksamen Hohlraum mündet. Dieses Ausführungsbeispiel zeigt, wie einfach der Aufbau des erfindungsgemäßen Wandlers unter Einbeziehung des ebenflächigen Magnetsystemssein kann. Ji

Dies beweist auch jenes Ausführungsbeispiel, bei dem über die der Membranrückseite zugewendeten gelochten Bodenplatte des Magnetsystemsein Reibungswiderstand gelegt ist, an den ein einen zylindrischen Hohlraum bildendes Gehäuse angeschlossen ist, das ^jp über seine Mantelfläche verteilte Öffnungen mit Reibungswiderständen aufweist und das an der dem Wandlersystem gegenüberliegenden Stirnfläche mit einem Reibungswiderstand abgeschlossen ist.

Beim letzten Ausführungsbeispiel, dessen einfacher ^J5 und übersichtlicher Aufbau kaum noch übertroffen werden kann, ist an die Membranrückseite über eine niedere Luftkammer ein ringförmiger, zylindrischer Kanal angeschlossen, dessen Mantelfläche verteilte, ins Freie führende und mit Reibungswiderständen verschlossene Öffnungen aufweist. Auch die niedere Luftkammerist an dp^rder Membrarirückseite abgewendeten Stirnfläche mit einem Reibungswiderstand abgeschlossen, der in eine geschlossene, im mittleren und höheren Frequenzbereich akustisch wirksame Kammer " führt. Außerdem ist ein im tiefen Frequenzbereich akustisch wirksamer Hohlraum vorgesehen, aus dem eine mit einem Reibungswiderstand versehene Öffnung ins Freie führt. Der zuletzt genannte Hohlraum steht auch über einen kurzen Rohrstutzen mit der niederen Luftkammer hinter der Membran in Verbindung.

Weitere Einzelheiten der Erfindung können der folgenden Beschreibung an Hand der Zeichnung entnommen werden, in der die Fig. I bis 4 vier verschiedene Allsführungsbeispiele der Erfindung schematisch im Schnitt darstellen.

In Fig. I ist schematisch im Querschnitt ein erfindungsgemäßer Wandler, bestehend aus der Membran I. den Magnetstäben 2 und 3, den gelochten Bodenplatten 4 und 5 dargestellt. Ein Hohlraum 6 ist einerseits durch einen akustischen Reibungswiderstand 7 an die Bodenplatte 4 angeschlossen, andererseits durch den Reibungswiderstand 8 mit der Außenluft in Verbindung. Zentral ist an der Bodenplatte 4 ein Rohr 9 angeschlossen, so daß die Membran Schallwellen niedriger Frequenz in den großen Hohlraum 10 senden kann. Das Laufzeitglied setzt sich zusammen aus den Elementen 8,6,7,9 und 10.

Ein weiteres Beispiel ist in Fig. 2 schematisch wiedergegeben.

An der Bodenplatte ist eine niedrige Luftkammer 11 gebildet, aus der ein geschlitztes Rohr 12 mit verteilten Schallöf'rnungen und Reibungswiderständen 13 ins Freie mündet. Ebenfalls an der Kammer 11 ist ein akustischer Reibungswiderstand angeordnet, der in den Hohlraum

15 führt. Das Laufzeitglied zur Ausbildung der gewünschten einseitigen Richtcharakteristik besteht aus dem Rohr 12, dem Reibungswiderstand 14 und dem Hohlraum 15.

In Fi g. 3 ist angedeutet, daß ein Reibungswiderstand

16 an der Bodenplatte, ein daran angeschlossener Hohlraum 17 und an dessen Gehäuse verteilte Öffnungen mit Reibungswiderständen 38, 19 ebenfalls eine einseitige Richtcharakteristik, jedoch im engeren Frequenzbereich, ergibt.

Die F i g. 4 stellt ein längliches Mikrophon mit axialer Einsprechrichtung dar.

An das Wandlersystem ist über eine niedrige Luftkammer 20 ein ringförmiger zylindrischer Kanal 21 angeschlossen, an dem verteilte Öffnungen mit Reibungswiderständen 22 ins Freie führen. Zentral ist an die Kammer 20 ein eine akustische Masse enthaltender Rohrstutzen 23 angeschlossen, der in die große Kammer 24 führt. Ein akustischer Reibungswiderstand 25 führt ins Freie. Eine Kammer 26 ist über den Reibungswiderstand 27 mit der niedrigen Kammer 20 in Verbindung.

Es liegen zwei Laufzeitglieder vor. Für den mittk .Έη und hohen Frequenzbereich sind die Elemente 22, 27 und 26, für die tiefen Frequenzen die Elemente 25, 24 und 23 wirksam.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

.Patentansprüche:

1. Elektroakustischer Wandler na.ph dem elektrodynamischen Prinzip, mit einer ebenen, mit Leiter- bahnen .versehenen Membran, die innerhalb eines ebenen) schalldurchlässigen Magnetsystems angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet,

. daß die Mgssq der mit den Leiterbahnen versehenen Membran ,(1) angenähert etwa der Masse einer ι ο ,gleich großen Membran für kapazitive Wandler entspricht, und daß an die Membran, vorzugsweise aber eine niedere Luftkammer (11; 20) an ihrer

. .Rückseite, zwecks Ausbildung des Wandlers als Schallempfänger mit einseitiger Richtcharakteristik, akustische Gruppenlaufzeitglieder (6—10; 12—15; 16—19; 22—27) angekoppelt sind.

2. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die niedere Luftkammer (11) gegenüber der Ntembranrückseite von einem großflächigen Reibungswiderstand (14) begrenz: ist, der anderseits einen großen, im tiefen Frequenzbereich akustisch wirksamen Hohlraum (15) abschließt und außerdem aus der niederen loiftkammor (11) ein geschlitztes Rohr (12) mit über seine Länge verteilte, mit Reibungswiderständen (M) versehene Öffnungen ins Freie führt.

3. Wandler nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß an der der Membranrückseite zugewendeten gelochten Bodenplatte (4) des Magnetsystems (2,3, ', 5) ein akustischer Reibungswiderstand (7) angebracht ist, der in eicv* Kammer (6) führt, die über einen Reibungswiderstand (8) mit der Außenluft in Verbindung steh¹, und unmittelbar an die Bodenplatte (4) ein Rohr (9) angeschlossen ist. das in einen großen, im tiefen Frequenzbereich akustisch wirksamen Hohlraum (10) mündet.

4. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß über die der Membranrückseite zugewendeten gelochten Bodenplatte (4) des Magnetsystems (2, 3, 4, 5) ein Reibungswiderstand (16) gelegt ist. an den ein. einen zylindrischen Hohlrai-m (17) bildendes Gehäuse angeschlossen ist, das über seine Mantelfläche verteilte Öffnungen mit Reibungswiderständen (18) aufweist und das an der. dem Wandlersystem gegenüberliegenden Stirnfläche, mit einem Reibungswiderstand (19) abgeschlossen ist.

5. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an die Membranrückseite über eine niedere Luftkammer (20) ein ringförmiger, zylindrischer Kanal (21) angeschlossen ist. dessen Mantelfläche verteilte, ins Freie führende und mit Reibungswiderständen (22) versehene Öffnungen aufweist und die niedere Luftkammer (20) an der der Membranrückseite abgewandten Stirnfläche mit einem Reibungswiderstand (27) abgeschlossen ist. der in eine geschlossene, im mittleren und höheren Frequenzbereich akustisch wirksame Kammer (26) führt und außerdem ein im tiefen f requenzbereich akustisch wirksamer Hohlraum (2.4) vorgesehen ist, ■usdem eine mit einem Reibungswiderstand (25) versehene öffnung ins Freie führt und der Hohlraum (24) über einen Rohrstutzen (23) mit der niederen Luftkammer (20) hinter der Membran (1) in ^h3 Verbindung steht.

Die Erfindung betrifft einen elektroakustischen Wandler nach dem elektrodynamischen Prinzip, mit einer ebenen, mit Leiterbahnen versehenen Membran, die innerhalb eines ebenen, schalldurchlässigen Magnetsystems angeordnet ist.

Derartige elektroakustisch^ Wandler werden dzt. nur in Kopfhörern eingesetzt, weil die flächenhaft angetriebene Membran nicht zu Partialschwingungen neigt und eine klirrfreie, weitgehend lineare Wiedergabe ermöglicht Infolge der Umkehrbarkeit des elektrodynamischen Prinzips ist in den Druckschriften, in denen solche Wandler beschrieben sind, auch gelegentlich der Hinweis auf ihre Verwendbarkeit als Schallempfänger zu finden, ohne daß jedoch Aussagen über die spezielle Konstruktion eines solchen Mikrophons, seine akustische Wirkungsweise oder gar über seine Ausbildung als gerichteter Schallempfänger gemacht werden. Offensichtlich ist, daß kapazitive Wandler, insbesondere solche mit Elektretmembran, im Zusammenhang mit der fortschreitenden Miniaturisierung aktiver und passiver elektronischer Bauteile, den elektrodynamischen Mikrophonen überall dort, wo höchste Qualitätsansprüche gestellt werden, den Rang abgelaufen haben. Man nimmt dabei in Kauf, daß bei einem kapazitiven Wandler in das Gehäuse ein Verstärker/Impedanzwandler eingebaut ist, der entweder a^#« einer ebenfalls eingebauten Batte.ie oder über das Mikrophonkabel mit Strom versorgt werden muß. Beide Arten der Stromversorgung können zu Störungen Anlaß geben. Bei Batteriebetrieb kann beispielsweise, wenn diese ausfällt, weil vielleicht rechtzeitiges Abschalten vergessen wurde, zum Zeitpunkt des Bedarfs kein Ersatz greifbar sein, bei Speisung über das Mikrophonkabel ist nicht nur ein Verstärker mit einer entsprechenden Anschlußmöglichkeit erforderlich, der nicht immer zur Hand ist. es können auch bei einem vielbeanspruchten Mikrophonkabel Unterbrechungen auftreten, die eine Benutzung des Mikrophons verhindern.

Die Erfindung hat sich das ZvJ gesetzt, einen als Mikrophon, insbesondere als Richtmikrophon verwendbaren elektrodynamischen Wandler zu schaffen, der hinsichtlich der Übertragungseigenschaften, insbesondere was das Impulsverhalten betrifft, weitgehend einem kapazitiven Wandler entspricht, jedoch ohne elektronische Komponenten in seinem Gehäuse auskommt und. infolge des niederohmigen Ausganges, wenig störungsanfällig ist.

Dieses Ziel wird bei einem Wandler der eingangs beschriebenen Art dadurch erreicht, daß die Masse der mit den Leiterbahnen versehenen Membran angenähert der Masse einer gleich großen Membran für kapazitive Wandler entspricht und daß an die Membran, vorzugsweise über eine niedere Luftkammer, an ihrer Rückseite, zwecks Ausbildung des - Wandlers als Schallempfänger mit einseitiger Richtcharakteristik, akustische Gruppenlaufzeitglieder angekoppelt sind.

Gegenüber den bekannten elektrodynamischen Mikrophonen mit Tauchspule, ergibt sich bei der Erfindung der Vorteil, daß die Kopplung der Membran mit akustischen Laufzeitgliedern einfacher und wesentlich störungsfreier möglich ist, so daß auch eine bessere Richtcharakteristik erzielt wird. Darüber hinaus ist, wie bereits vorstehend erwähnt, das Impulsverhalten des erfindungsgemäßen Wandlers vielfach besser als das eines Tauchspulenmikrophons, wie aus folgenden Überlegungen hervorgeht: Die bei der Erfindung vorgesehene, mit Leiterbahnen bedruckte Membran, beispielsweise aus einer extrem dünnen Kunststoffolie,