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Elektrostatisches Mikrophon mit Kardioidrichtkennlinie
Die Erfindung bezieht sich auf ein elektrostatisches Mikrophon mit Kardioidrichtkennlinie, bei dem die Vorderseite der Membran unmittelbar und deren Rückseite über mindestens ein phasendrehendes, akustisches Filter dem Schallfeld ausgesetzt sind. Bekanntlich soll die phasendrehende Wirkung dieser Filter proportional der Frequenz sein, und es ist üblich, solche Filter als im wesentlichen aus akustischen Räu- men und akustischen Widerständen bestehende Elemente auszubilden.
Es wurde nun gefunden, dass bei einem elektrostatischen, eine Membran und eine in einem Abstand von dieser angeordnete, mit Schalldurchlassöffnungen versehene hintere Elektrode enthaltenden Mikrophon, wenn es mit einem akustischen Filter vorerwähnter Art, d. h. einem Filter mit frequenzproportionaler Phasendrehung, versehen wird, die Richtkennlinie nicht für alle Frequenzen dieselbe ist, sondern für die niedrigen Frequenzen in sehr merklichem Masse die Kennlinie eines allseitig empfindlichen Mikrophons aufweist.
Infolgedessen wird der Vorteil der Kardioidwirkung, nämlich die gegenüber einem allseitig empfindlichen Mikrophon verhältnismässig geringe Empfindlichkeit für aus allen Richtungen einfallende Störtöne, zum grössten Teil zunichte gemacht. Es hat sich gezeigt, dass dieser Nachteil sich insbesondere, bei Mikrophonen geltend macht, bei denen der Umweg zwischen der Vorderseite der Membran und den Eintrittsöff- nungen auf der Rückseite der Membran klein ist, d. h. im allgemeinen bei Mikrophonen mit einem Durchmesser von weniger als etwa 20 mm.
Zweck der Erfindung ist, ein elektrostatisches Mikrophon mit Kardioidrichtkennlinie anzugeben, das den erwähnten Nachteil nicht aufweist.
Die der Erfindung zugrundeliegende Erkenntnis besteht darin, dass bisher übersehen wurde, dass der kleine Luftspalt zwischen Membran und Hilfselektrode ein RC-Filter bildet, das an sich eine bestimmte Phasendrehung herbeiführt, die im Bereich der niedrigeren Frequenzen zwar proportional mit den Frequenzen ist, aber sich bei höheren Frequenzen langsamer als frequenzproportional ändert, wobei auch der akustische Widerstand des Luftspaltes eine Funktion der Frequenz ist, der auch zu den erwähnten Abweichungen von der linearen Änderung beiträgt.
Auf Grund dieser Erkenntnis ist das elektrostatische Mikrophon nach der Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass zur Ergänzung der Filterwirkung des spaltförmigen Raumes zwischen Membran und der mit Öffnungen versehenen Hilfselektrode hinter dieser ein Raum vorgesehen ist, der durch die Hilfselektrode, den hinter ihr liegenden Teil des Mikrophongehäuses und eine in diesem Gehäuse angebrachte, eng vom Gehäuse umfasste Schicht akustisch dämpfenden Materials, z. B. Filz, gebildet ist, wobei am Ort dieser Schicht in der Gehäusewand eine Anzahl von Löchern angeordnet ist, so dass die Gesamtphasendrehung der Filteranordnung auch im Bereich der niedrigeren Frequenzen proportional oder nahezu proportional mit der Frequenz ist.
Einige Ausführungsbeispiele des Mikrophons nach der Erfindung werden nachstehend an Hand der Zeichnung näher erläutert.
Fig. la zeigt einen Längsschnitt durch ein solches Mikrophon, Fig. 1b das elektrische Analogon desselben, Fig. 2a einen Längsschnitt durch eine andere Ausführungsform, Fig. 2b das elektrische Analogon dieses Mikrophons und Fig. 3 den Verlauf der Phase als Funktion der Frequenz eines Mikrophons nach der Erfindung, eines Mikrophons ohne erganzendes Filter und eines üblichen Mikrophons, d. h. eines Mikrophons mit einem ergänzenden Filter, dessen Phasendrehung über den zu verwendenden Gesamtfrequenz-
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bereich proportional mit der Frequenz ist. Fig. 4 zeigt die Kardioidrichtkennlinien für ein übliches Mikrophon, für ein Mikrophon ohne Ergänzungsfilter und für ein Mikrophon nach der Erfindung.
Das Mikrophon nach Fig. la besteht aus einer Membran 1, die von der mit Löchern 2 versehenen Hilfselektrode 3 durch einen Luftspalt 4 getrennt ist. Die Löcher 2 münden in einem Raum 5, der durch die Hilfselektrode 3, das Gehäuse 6 und einen Pfropfen T aus akustisch dämpfendem Material, z. B. Filz, gebildet wird ; dieser Pfropfen wird von dem Gehäuse 6 eng umschlossen. Am Orte des Pfropfens 7 ist das Gehäuse 6 mit in die freie Luft mündenden Löchern 8 versehen, durch welche die Membran 1 auch auf der hinteren Seite für die Schallwellen zugänglich ist. Hinter dem Pfropfen 7 befinden sich noch zwei durch eine Scheibe 11 aus dämpfendem Material voneinander getrennte Räume 9 und 10. Gegebenenfalls kann diese Scheibe 11 weggelassen werden.
Fig. lb zeigt das elektrische Ersatzschaltbild dieses Mikrophons. Dabei bezeichnenC, L und R die Nachgiebigkeit infolge der Einspannung der Membran, die Masse bzw. den akustischen Widerstand der Membran, C, bezeichnet die Nachgiebigkeit und R. den akustischen Widerstand des Luftspaltes 4, C die Nachgiebigkeit des Raums 5, 1) den akustischen Widerstand des zwischen dem Raum 5 und den Löchern 8 liegenden Teiles des Pfropfens 7, Rs den akustischen Widerstand des zwischen den Löchern 8 und dem
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liegenden TeilesDas Mikrophon nach Fig. 2a besteht aus einer Membran 12, die nicht nur auf der Vorderseite, sondern auch auf der Rückseite für die Schallwellen zugänglich ist, u. zw.
auf der Rückseite durch im Gehäuse 17 vorgesehene Löcher 19, die in einem Raum 20 münden, über eine Scheibe 18 aus akustisch dämpfendem Material, einen Raum 16, in der Hilfselektrode 14 vorgesehene Löcher 13 und einen sich zwischen der Hilfselektrode 14 und der Membran 12 befindenden Luftspalt 15.
In Fig. 2b ist wieder das elektrische Ersatzschaltbild dargestellt. Dabei bezeichnen C, Lm und R die Nachgiebigkeit infolge der Einspannung der Membran, die Masse bzw. den akustischen Widerstand der Membran, C, bezeichnet die Nachgiebigkeit und R. den akustischen Widerstand des Luftspaltes 15, C die Nachgiebigkeit des Raumes 16, P, den akustischen Widerstand der z. B. aus Gaze bestehenden Scheibe 18, Cg die Nachgiebigkeit des Raumes 20 und L die Masse der Luft in den Löchern 19.
Bei einem Mikrophon mit Kardioidrichtkennlinie muss für von hinten kommende Schallsignale die Phasendrehung für alle Frequenzen der Schallwellen von der Eintrittsöffnung an der hinteren Seite der Membran bis zur Vorderseite der Membran, d. h. die Phasendrehung des Umwegs, gleich der Phasendrehung infolge der akustischen Filter von der genannten Eintrittsöffnung her bis zur hinteren Seite der Membran'sein. Da die Phasendrehung des Umwegs proportional mit der Frequenz ist, muss die Phasendrehung infolge der akustischen Filter auch proportional mit der Frequenz verlaufen (s. Fig. 3a, Kurve p).
Bei den bekannten Mikrophone mit einem akustischen Ergänzungsfilter war die Ausbildung der Kardioidenform im Bereich der niedrigen Frequenzen schlechter als im Mittelbereich, obgleich die akusti- schen Filter derart gestaltet waren, dass die vorerwähnte Bedingung erfüllt war (Fig. 4a). Im Bereich der niedrigen Frequenzen wich die'Phasendrehung somit von der erforderlichen Phasendrehung ab. Weitere Untersuchungen ergaben, dass bisher die Phasendrehung des durch den Luftspalt 4 bzw. 15 gebildeten Fil-
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dern akustischen Filtern entfernt wurden, so ergab sicheine Kennlinie, wie diese in Fig. 4b veranschaulicht ist, aus der hervorgeht, dass die Phasendrehung infolge dieses Filters für die niedrigeren Frequenzen richtig ist, aber bei zunehmender Frequenz nicht mehr direkt proportional verläuft (Fig. 3, Kurve q).
Wird nunmehr ein zusätzliches Filter mit einer linear mit der Frequenz zunehmenden Phasendrehung angebracht, so ist die Gesamtphasendrehung im Bereich der niedrigeren Frequenzen grösser, so dass die Kardioidengestalt in diesem Bereich starkverschlechtert wird (Fig. 3, Kurve r und Fig. 4a).
Bei den Mikrophone nach der auf die vorerwähnten Erkenntnisse gegründeten Erfindung wird dafür ge- sorgt, dass die Phasendrehung der Ergänzungsfilter gemeinsam mit der des bereits vorhandenen Filters, das durch den Luftspalt hinter der Membran gebildet wird, auf die gewünschte Weise linear mit der Frequenz zunimmt, so dass eine Richtkennlinie erzielt wird, die als Funktion der Frequenz nahezu konstant ist (Fig. 4c).
Die Kennlinien nach den Fig. 3 und 4 sind durch Messungen an einem Mikrophon mit einem Membrandurchmesser von 8 mm erhalten. Für Mikrophone mit einem grösseren Durchmesser gelten die gleichen Kennlinien, wobei sich jedoch infolge des verhältnismässig geringen Einflusses des Luftspaltes hinter der Membran die Kennlinien entsprechend nach den niedrigeren Frequenzen verschieben. Aus diesem Grunde hat es sich erwiesen, dass die Erfindung besonders wichtig ist für Mikrophone mit einem Membrandurch-
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messer von weniger als 20 mm.
Es wird einleuchten, dass die Erfindung sich nicht auf Mikrophone mit einer kardioidförmigen Richtkennlinie beschrankt, wobei die Minimalempfindlichkeit auf der Rückseite des Mikrophones in der Achsenrichtung auftritt, sondern auch Mikrophone betrifft, die eine sogenannte hyperkardioidförmige Richtkennlinie haben, d. h. bei denen die Minimalempfindlichkeit auf der Rückseite des Mikrophons in aneinander angeschlossenen Richtungen auftritt, die von der erwähnten axialen Richtung abweichen.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Elektrostatisches Mikrophon mit Kardioidrichtkennlinie, insbesondere mit einer Membran mit einem Durchmesser von weniger als 20 mm, wobei die Vorderseite der Membran unmittelbar und die Rückseite der Membran über mindestens ein akustisches Phasendrehungsfilter dem Schallfeld ausgesetzt sind, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ergänzung der Filterwirkung des spaltförmigen Raumes zwischen Membran und der mit Öffnungen versehenen Hilfselektrode hinter dieser ein Raum vorgesehen ist, der durch die Hilfselektrode, den hinter ihr liegenden Teil des Mikrophongehäuses und eine in diesem Gehäuse angebrachte, eng vom Gehäuse umfasste Schicht akustisch dämpfenden Materials, z. B.
Filz, gebildet ist, wobei am Ort dieser Schicht in der Gehäusewand eine Anzahl von Löchern angeordnet ist, so dass die Ge- samtphasendrehung der Filteranordnung auch im Bereich der niedrigeren Frequenzen proportional oder nahezu proportional mit der Frequenz ist.