DE4307825A1 - Wandler für Kondensatormikrofone mit variabler Richtcharakteristik - Google Patents

Description

Kondensatormikrofone mit variabler Richtcharakteristik enthalten übli­ cherweise zwei Wandler mit jeweils nierenförmiger Richtcharakteristik, wobei die Richtcharakteristiken beider Wandler in zueinander entgegen­ gesetzte Richtungen weisen. Die Richtcharakteristik des Mikrofons wird dann durch unterschiedliche Überlagerung der elektrischen Signale beider Wandler verändert. Es ist üblich, die beiden Wandler nicht getrennt von­ einander aufzubauen, sondern sie mechanisch und akustisch in möglichst kompakter Weise zu einem Doppelwandler zu vereinigen.

In den Zeichnungen sind, schematisch, nicht maßstäblich, sondern in teilweise stark übertriebenem Maßstab, in

Fig. 1 der Stand der Technik und in

Fig. 2 und 3 zwei Ausführungsbeispiele eines Kondensatormikrofons nach der Erfindung dargestellt.

Fig. 1 zeigt die grundsätzliche Ausführung eines dem bisherigen techni­ schen Stand entsprechenden Doppelwandlers. Er besteht aus einem zylind­ rischen Gehäuse 10, dessen beide axiale Stirnenden durch gleichartige kapazitive Wandler 20 begrenzt sind. Die Wandler 20 enthalten jeweils eine Membran 21 mit einem zugehörigem Trägerring 22, eine parallel zur Membran angeordnete Gegenelektrode 23, deren Abstand zur Membran mit einer Distanzscheibe 24 eingestellt ist. Das Gehäuse 10 enthält zwei gleichartige, als akustische Federungen wirkende Volumina 11, die über einen akustischen Widerstand 12 miteinander verbunden sind.

Diese bekannte Bauart des Doppelwandlers weist grundsätzliche Nachteile auf. So kommt der für die Ausbildung der nierenförmigen Richtcharakteri­ stik erforderliche rückwärtige Schallweg für jeden der beiden Wandler durch den jeweils anderen Wandler hindurch nur bei Frequenzen zustande, die in der Nähe der Resonanzfrequenz der Wandler liegen, da dort die akustische Impedanz der Wandler ihr Minimum aufweist und reell wird, während zu niedrigen und hohen Frequenzen der rückwärtige Schallweg durch die ansteigende akustische Impedanz der Wandler zunehmend gesperrt wird, so daß dort ein unerwünschter Übergang zu einer kugelförmigen Richtcharakteristik erfolgt. Die Resonanzfrequenz der Wandler wird übli­ cherweise so eingestellt, daß sie in der Mitte des nutzbaren Frequenz­ bereichs liegt.

Bei den bekannten Ausführungen des Doppelwandlers wird eine Erweiterung des Frequenzbereichs, in dem sich die nierenförmige Richtcharakteristik ausbildet, dadurch vorgenommen, daß der akustische Widerstand 12 und der Wirkwiderstandsanteil der Wandler 20 sehr groß gewählt werden. Dadurch wird aber zugleich der Schallfluß durch den Doppelwandler, der im mitt­ leren Frequenzbereich vornehmlich durch die Summe aller akustischen Wirkwiderstände bestimmt wird, erheblich verringert und dadurch auch der damit verbundene elektroakustische Übertragungsfaktor (Empfindlichkeit) des Doppelwandlers entsprechend herabgesetzt. Außerdem wird die Signal­ qualität des Mikrofons einerseits durch das von den großen akustischen Wirkwiderständen des Doppelwandlers erzeugte erhöhte Rauschsignal und andererseits infolge des verringerten Übertragungsfaktors durch den da­ durch erhöhten Einfluß des elektronischen Rauschens des nachgeschalteten Verstärkers verschlechtert.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Doppelwand­ ler zu entwickeln, der einerseits einen kompakten mechanischen Aufbau ermöglicht und andererseits die Nachteile des bekannten Doppelwandlers vermeidet, indem er in einem weiten Frequenzbereich eine nierenförmige Richtcharakteristik sowie einen hohen Übertragungsfaktor und ein niedri­ ges Rauschen aufweist. Das wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß eine zusätzliche rückwärtige Ankopplung der Wandler 20 an das Schallfeld in definierter Weise über zwei unterschiedliche akustische Widerstands­ elemente vorgenommen wird, wobei das eine Widerstandselement durch weite Durchlässe und das andere Widerstandselement durch enge Durchlässe im Bereich des Gehäuses 10 gebildet wird.

Akustisch weite und enge Durchlässe weisen unterschiedliche Grenzfre­ quenzen auf, unterhalb welcher sich die zugehörige akustische Impedanz einem konstanten frequenzunabhängigen Wert, der durch den jeweiligen Wirkwiderstandsanteil gegeben ist, annähert. Oberhalb der Grenzfrequenz nimmt die Impedanz infolge des Masseanteils proportional mit der Fre­ quenz zu. Die Grenzfrequenz ist umso niedriger, je größer der Massean­ teil und je niedriger der Wirkwiderstandsanteil ist. Die Grenzfrequenz ist im wesentlichen durch die kleinste quer zur Schallflußrichtung auf­ tretende Abmessung des Durchlasses bestimmt, also bei spaltförmigen Durchlässen durch die Spaltweite und bei runden Durchlässen (Bohrungen) durch den Radius bzw. Durchmesser. Unter einem weiten Durchlaß soll in diesem Sinne ein akustisches Widerstandselement mit einer vergleichs­ weise niedrigen Grenzfrequenz verstanden werden, während unter einem engen Durchlaß ein akustisches Widerstandselement mit einer vergleichs­ weise hohen Grenzfrequenz verstanden werden soll. Zweckmäßigerweise wird der erste Widerstandstyp durch Röhrchen oder Bohrungen und der zweite Widerstandstyp durch Luftspalte oder Gewebedämpfungen realisiert.

Fig. 2 zeigt den prinzipiellen Anbau des erfindungsgemäß ausgeführten Doppelwandlers. Die beiden Wandler 20 sind hierbei über ein ringförmiges Gehäuse 10 mit einem durchgängigen Volumen 13 direkt, also ohne das in Fig. 1 noch vorhandene akustische Widerstandselement 12 miteinander ver­ bunden. Das Gehäuse 10 weist mehrere in der Symmetrieebene angeordnete, möglichst gleichmäßig über den Gehäuseumfang verteilte, radiale Bohrun­ gen 14 auf, die im zuvor erläuterten Sinne die weiten Durchlässe bilden, z. B. sind in Fig. 2 vier Bohrungen vorgesehen. Zwischen den Wandlern 20 und dem Gehäuse 10 sind zusätzlich radiale Luftspalte 13 eingefügt, die in dem zuvor erläuterten Sinne die akustisch engen Durchlässe bilden. Die Luftspalte erstrecken sich bei der praktischen Ausführung des Dop­ pelwandlers nicht, wie es schematisch in Fig. 2 dargestellt ist, ohne Unterbrechung über den gesamten Gehäuseumfang, sondern sind durch Sekto­ ren aus Folienzwischenlagen 16 unterbrochen, so daß sich mehrere radiale Luftspalte ergeben, die sich möglichst gleichmäßig über den gesamten Gehäuseumfang verteilen.

Aufgabe der weiten Widerstandselemente in der erfindungsgemäßen Wandler­ anordnung ist es, die für die Ausbildung der nierenförmigen Richtcharak­ teristik erforderliche, rückwärtige akustische Ankopplung der Wandler 20 an das Schallfeld bei tiefen Frequenzen in definierter Weise zu errei­ chen, also in einem Frequenzbereich, in dem bei den bekannten Doppel­ wandlern, wie bereits erläutert, die rückwärtige Ankopplung an das Schallfeld durch die Wandlerimpedanzen versperrt ist.

Mit ansteigender Frequenz werden die Wandler in zunehmendem Male aku­ stisch durchlässig, weil der Anteil ihrer akustischen Impedanz, der im wesentlichen durch die Steifigkeit der Membran bestimmt ist, bis zur Resonanzfrequenz der Wandler stetig abnimmt, so daß dann über die Wand­ ler in wachsendem Male eine rückwärtige Ankopplung an das Schallfeld erfolgt. Daher muß die zusätzliche Ankopplung über die Widerstandsele­ mente 14 und 15 entsprechend schwächer werden, ihre Impedanz also in geeigneter Weise mit der Frequenz zunehmen.

Ein geeigneter Impedanzverlauf läßt sich für tiefe Frequenzen im Prinzip allein mit den weiten Durchlässen 14 erreichen, die eine im Vergleich zur Resonanzfrequenz der Wandler niedrige Grenzfrequenz aufweisen. Dazu ist es erforderlich, daß alle akustischen Elemente des Doppelwandlers in bestimmten Beziehungen zueinander stehen. Für die Darstellung der Bezie­ hungen wird im folgenden von den bekannten akustischen Ersatzdarstellun­ gen ausgegangen. Danach läßt sich jeder der beiden Wandler 20 durch eine Reihenschaltung aus einem Wirkwiderstand R, einer Masse M und einer Federung C dargestellen. Ebenso können alle weiten Durchlässe 14 zusam­ mengenommen durch eine Reihenschaltung aus einem Wirkwiderstand R1 und einer Masse M1 dargestellt werden. Das Volumen 13 wird durch seine aku­ stische Federung C1 repräsentiert. Der effektive Schallumweg, der sich für den axial einfallenden Schall zwischen den beiden Wandlermembranen ergibt, wird mit u bezeichnet und die Schallgeschwindigkeit mit c. Dann ergeben sich folgende Beziehungen, die erfüllt sein müssen, um bei tie­ fen Frequenzen eine nierenförmige Richtcharakteristik des Doppelwandlers zu erreichen:

R·C1 = u/c
R1 = R/2
M1 = C·R·R1.

Wenn beispielsweise die Größe des Volumens 13, und damit die zugehörige akustische Federung C1, sowie die akustische Federung C des Wandlers 20 und der Umweg u vorgegeben sind, ergibt sich dann nach den obigen Bezie­ hungen der erforderliche Wirkwiderstand R des Wandlers, sowie der Wirk­ widerstand R1 und die Masse M1 der weiten Durchlässe 14.

Im Sinne der erfindungsgemäßen Ausführung sollte das Volumen des Doppel­ wandlers möglichst groß gewählt werden. Dann kann aufgrund der damit verbundenen vergrößerten Federung C1 der Wirkwiderstand R des Wandlers 20 entsprechend der ersten obigen Beziehung reduziert werden. Dadurch wird einerseits der Schallfluß im Doppelwandler und damit auch die Wand­ lerempfindlichkeit erhöht und andererseits wird das von dem Wirkwider­ stand R erzeugte thermische Rauschen verringert. Die akustische Dimen­ sionierung der Elemente R1, M1 der Durchlässe 14 kann in jedem Fall gemäß den oben angegebenen Beziehungen so angepaßt werden, daß sich die gewünschte nierenförmige Richtcharakteristik bei tiefen Frequenzen ergibt. Dadurch lassen sich die mit dem bekannten Doppelwandlerkonzept verbundenen Nachteile, nämlich die geringe Wandlerempfindlichkeit und das höhere Rauschen, grundsätzlich vermeiden.

Mit der nach den obigen Beziehungen vorgenommenen Dimensionierung des Doppelwandlers läßt sich eine nierenförmige Richtcharakteristik erzeu­ gen, die bis zu der im mittleren Frequenzbereich gelegenen Resonanzfre­ quenz der Wandler 20 nur eine geringe Frequenzabhängigkeit aufweist. Bei höheren Frequenzen gibt es aber Abweichungen von der idealen nierenför­ migen Richtcharakteristik und es tritt außerdem noch eine gewisse Wel­ ligkeit des Frequenzgangs auf. Diese Abweichungen lassen sich erfin­ dungsgemäß durch die zusätzlich im Bereich des Gehäuses 10 angeordneten engen Durchlässe 15 verringern. Diese engen Durchlässe weisen einen höheren Wirkwiderstand auf als die schon vorhandenen weiten Durchlässe 14 und besitzen eine Grenzfrequenz, die oberhalb der Resonanzfrequenz der Wandler liegt. Durch die Parallelschaltung der beiden unterschiedli­ chen akustischen Widerstandselemente 14 und 15 ergibt sich insgesamt ein weniger steiler Impedanzverlauf, der zu einer weiter verringerten Fre­ quenzabhängigkeit der Richteigenschaften des Doppelwandlers führt, wenn die im folgenden angegebenen Dimensionierungsregeln beachtet werden.

Zunächst werden der Wirkwiderstand R des Wandlers 20 und der Wirkwider­ stand R1 der weiten Durchlässe 14 größer gewählt als es der zuvor ange­ gebenen Dimensionierung entspricht. Günstig ist eine Vergrößerung von R etwa um den Faktor 1, 5 und eine Vergrößerung von Rl etwa um den Faktor 1, 2. Der Widerstand R2 der zusätzlichen engen Durchlässe wird so ge­ wählt, daß der durch Parallelschaltung von R1 und R2 bei tiefen Frequen­ zen resultierende Widerstandswert R12 der Beziehung

R12 = µ/(2·c·C1),

genügt, wodurch sich bei tiefen Frequenzen wieder die geforderte nieren­ förmige Richtcharakteristik ergibt. Die akustische Masse M1 der weiten Durchlässe 14 kann wieder wie zuvor nach der oben angegebenen Beziehung errechnet werden, wobei die modifizierten Werte von R und R1 einzusetzen sind. Durch diese Maßnahmen läßt sich der Frequenzbereich, in dem die Richtcharakteristik als nierenförmig anzusehen ist, nach oben erweitern und die bei der alleinigen Verwendung der weiten Durchlässe entstehenden Welligkeiten im Frequenzgang werden praktisch beseitigt.

Die für die bestimmungsgemäße Funktion des Doppelwandlers erforderliche symmetrische Aufbau erfordert auch eine symmetrische Anordnung der aku­ stisch weiten und engen Durchlässe, und zwar sowohl in axialer als auch in radialer Richtung. Das Symmetriezentrum liegt in der axialen Mitte des Gehäuses 10. Die zugehörige Symmetrieebene wird durch die Ebene dar­ gestellt, die senkrecht zur Rotationsachse des Doppelwandlers durch die Mitte des Gehäuses 10 verläuft. Eine Möglichkeit zur erfindungsgemäßen Anordnung der Durchlässe besteht darin, beide Arten der Durchlässe im Wechsel miteinander in der Symmetrieebene radial in das Gehäuse 10 ein­ zubringen. Es ist aber auch möglich, die Durchlässe getrennt in ver­ schiedenen Ebenen des Gehäuses 10 anzuordnen, die axial symmetrisch zur Symmetrieebene liegen.

Die Ausführung der Fig. 2 zeigt ein Beispiel für die symmetrische Verset­ zung der akustisch engen Durchlässe, die hier durch Luftspalte gebildet sind. Beide Spaltebenen wirken gemeinsam wie ein einziger in der Symme­ trieebene angeordneter Spalt, solange die Entfernung der Spalte vonein­ ander vergleichsweise klein zur Wellenlänge der Schallsignale ist, für welche der akustische Durchgang von Bedeutung ist. Das ist bei den übli­ chen Wandlergeometrien gewährleistet. Die in Fig. 2 gezeigte Ausführung zeigt eine zweckmäßige Anordnung der Luftspalte zwischen dem Gehäuse 10 und den Gegenelektroden 23 der Wandler 20. Dadurch ist es möglich, den mechanischen Übergang vom Gehäuse 10 zu den Wandlern 20 für diese zu­ sätzliche Funktion zu nutzen und so die Gestaltung des Gehäuseteils zu vereinfachen.

Es ist zweckmäßig, die weiten Durchlässe 14 als Bohrungen auszuführen, da die akustische Durchlässigkeit, wie zuvor erläutert, vornehmlich bei sehr tiefen Frequenzen benötigt wird und daher eine Vereinzelung auf wenige radial gleichmäßig verteilte Bohrungen, die in der Symmetrieebene angeordnet sind, zulässig ist, da hier der entstehende Versatz klein im Vergleich zur Schallwellenlänge ist. Da die Grenzfrequenz allein durch den Durchmesser der Bohrungen bestimmt wird, lädt sich der benötigte akustische Wirkwiderstand nur durch die Länge und die Anzahl der Bohrun­ gen festlegen. Geeignete Bohrungsdurchmesser liegen bei dem erfindungs­ gemäß ausgeführten Wandler bei wenigen Zehntel Millimetern. Da es Schwierigkeiten bereitet, Bohrungen mit derartig kleinen Durchmessern in das Gehäuseteil direkt einzubringen, besteht alternativ auch die Mög­ lichkeit, die Bohrungen in Gestalt von Einsätzen, z. B. als Kleinuhren­ lager, in entsprechend größere Bohrungen des Gehäuses 10 einzusetzen.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht die Verwendung von Gegentaktwandlern zur weiteren Verbesserung der Signalqualität des Dop­ pelwandlers vor. Fig. 3 zeigt den entsprechend modifizierten Doppelwand­ ler. Die in Fig. 1 und 2 dargestellten Wandler 20 sind in diesem Fall durch symmetrische Gegentaktwandler 30 ersetzt. Die Gegentaktwandler 30 enthalten jeweils eine Membran 31 und zwei symmetrisch parallel zur Mem­ bran angeordnete Gegenelektroden 32 sowie zwei Distanzscheiben 33 zur Einstellung des Abstandes zwischen der Membran 31 und den beiden Gegen­ elektroden 32. Derartige Gegentaktwandler ergeben aufgrund ihres symme­ trischen Aufbaus eine besonders hohe Linearität bei der Umwandlung der akustischen Signale in die äquivalenten elektrischen Signale. Diese Tat­ sache hat für den erfindungsgemäß ausgeführten Doppelwandler insofern Bedeutung als die damit im Vergleich zum bekannten Doppelwandler erreichte hohe Wandlerempfindlichkeit auch entsprechend höhere Membran­ auslenkungen zur Folge hat, die im Falle der unsymmetrisch ausgeführten Wandler 20 in Fig. 1 und 2 zu erhöhten Wandlerverzerrungen führen können.

Claims (12)

1. Doppelwandler für Kondensatormikrofone mit variabler Richtcharakte­ ristik, bestehend aus einer symmetrischen Anordnung von zwei Wand­ lern (20, 30) mit in entgegengesetzte Richtungen weisenden nieren­ förmigen Richtcharakteristiken und einem die Wandler verbindenden und Volumina umschließenden Gehäuse (10), dadurch gekennzeichnet, daß sowohl weite als auch enge akustische Durchlässe (14, 15) axial und radial symmetrisch im Bereich des Gehäuses (10) angeordnet sind, deren gesamtheitliche akustische Impedanz einen definierten, bei tiefen Frequenzen konstanten und zu hohen Frequenzen hin ansteigen­ den Verlauf aufweist und eine auch bei tiefen Frequenzen nierenför­ mige Richtcharakteristik ergibt.

2. Doppelwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß seine beiden Wandler durch ein einheitliches, unterbrechungsfreies Gehäu­ sevolumen miteinander verbunden sind.

3. Doppelwandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die engen Durchlässe durch einen im wesentlichen umlaufenden Ring­ spalt gebildet sind.

4. Doppelwandler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Ring­ spalt durch Segmente unterbrochen ist.

5. Doppelwandler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Seg­ mente aus einer Folienzwischenlage bestehen, welche benachbarte Abschnitte des Gehäuses verbindet.

6. Doppelwandler nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Begrenzungsflächen des engen Durch­ lasses von der Gegenelektrode des zugehörigen Wandlers und der zuge­ wandten Stirnseite des Gehäuses gebildet werden.

7. Doppelwandler nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der weite Durchlaß aus radialen Bohrun­ gen besteht.

8. Doppelwandler nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Bohrung von dem zentralen Loch eines Einsatzes erzeugt ist und der Einsatz in die Gehäusewand integriert ist.

9. Doppelwandler nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der weite Durchlaß in der Symmetrieebene des Gehäuses angeordnet ist.

10. Doppelwandler nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die engen und weiten Durchlässe in der gleichen Radialebene des Gehäuses angeordnet sind.

11. Doppelwandler nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die gemeinsame Radialebene die in der Mitte des Gehäuses angeordnete Symmetrieebene ist.

12. Doppelwandler nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der beiden Wandler als ein Gegen­ taktwandler mit zwei Gegenelektroden ausgeführt ist.