DE102010021157A1

DE102010021157A1 - 3D-Stereospaltmikrofon

Info

Publication number: DE102010021157A1
Application number: DE102010021157A
Authority: DE
Inventors: Josef W. Manger
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2010-05-21
Filing date: 2010-05-21
Publication date: 2011-11-24
Also published as: WO2011144200A1; CN102972045A; EP2572515B1; DK2572515T3; DE112011104274A5; EP2572515A1; CN102972045B

Abstract

3D-Stereospaltmikrofon zum Umwandeln von Schallbewegungen der Umgebungsluft in zwei elektrische Spannungen, bestehend aus einer Mikrofonkapsel in der Form eines Hohlkörpers, die eine einzige Öffnung aufweist und die mit einer Membrane als Elektrode abgedeckt ist, die aus einer flexiblen und einer elektrisch leitfähigen Folie besteht und die elektrisch isoliert befestigt ist und die zu einer Metallplatte als Gegenelektrode beabstandet ist, die innerhalb der Mikrofonkapsel befestigt ist, wobei die Metallplatte durch einen Spalt in eine linke Metallplatte als linke Gegenelektrode und eine rechte Metallplatte als rechte Gegenelektrode aufgeteilt ist, die elektrisch voneinander isoliert sind und je einen eigenen elektrischen Anschluss aufweisen.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein 3D-Stereospaltmikrofon zum Umwandeln von Schallbewegungen der Umgebungsluft in zwei elektrische Spannungen, bestehend aus einer Mikrofonkapsel in der Form eines Hohlkörpers, die eine einzige Öffnung aufweist und die mit einer Membrane als Elektrode abgedeckt ist, die aus einer flexiblen und einer elektrisch leitfähigen Folie besteht und die elektrisch isoliert befestigt ist und die zu einer Metallplatte als Gegenelektrode beabstandet ist, die innerhalb der Mikrofonkapsel befestigt ist.
Zur Aufzeichnung und Wiedergabe von Geräusche und Tönen sind seit über einem halben Jahrhundert elektromechanische Wandler bekannt, die als Mikrofon Bewegungen von Luftmolekülen in elektrische Signale umsetzen, die aufbereitet und gespeichert werden. Zu einem wählbaren Zeitpunkt können die gespeicherten Signale abgerufen und über andere – als Lautsprecher bezeichnete – elektromechanische Wandler wieder zurück in Schall – also in Bewegungen von Luftmolekülen – umgewandelt werden.
Dabei ist es das Ziel, bei der Wiedergabe am Ohr des hörenden Menschen so exakt wie möglich die gleichen Bewegungen der Luftbestandteile zu erzeugen, die dann am Ohr angekommen wären, wenn der Hörende persönlich und direkt das jeweilige Geräusch vernommen hätte. Dafür müssen die Informationen über alle einzelnen Bewegungen in der Luft idealer weise vollständig und verlustfrei aufgenommen, gespeichert und wiedergegeben werden.
Auf aktuellem Stand der Technik gelangt in der Praxis jedoch stets auf dem Weg von der ersten Umwandlung im Mikrofon über die Bearbeitung und Speicherung der elektrischen Signale und der zweiten Umwandlung im Lautsprecher nur ein mehr oder weniger großer Anteil der Bewegungsinformationen ohne Verfälschung zurück in tatsächliche Luftbewegungen.
Um zu zeigen, dass konventionelle Lautsprechersysteme und die bisher bekannten Mikrofone nur Klänge und Töne übertragen können, ist eine vergleichsweise sehr ausführliche Beschreibung der physikalischen Grundlagen und des bisher erreichten Standes der Technik erforderlich. Erst auf dieser Grundlage wird das Ziel dieser Erfindung erkennbar und nachvollziehbar, nämlich ein dreidimensionales Hören, bei dem auch die vektoriellen Informationen jedes Schallsignals übertragen werden, so dass der Zuhörer zusätzlich zu den Klängen und Tönen auch deren Ort und deren Art identifizieren kann.
Auf aktuellem Stand der Technik wird es fast ausschließlich als die Aufgabe von Schallwandlern angesehen, periodische Schwingungen umzuwandeln, und zwar sowohl bei der Umwandlung von Schall in elektrische Spannungen – also einem Mikrophon – als auch bei der Umwandlung von elektrischen Spannungen in Schall – also bei einem Lautsprecher. Geräusche und Töne werden deshalb fast immer als eine Überlagerung aus Wellen oder Schwingungen mit verschiedenen Amplituden und Frequenzen dargestellt.
Dabei wird jedoch vernachlässigt, dass Schall bereits bei der geringsten Bewegung eines Luftmoleküls entsteht. Dem entsprechend zeigen neueste Erkenntnisse, dass diese nur auf Wellen, Schwingungen und andere periodische Bewegungsformen fokussierte Betrachtungsweise zu eng ist, denn genau genommen ist schon die Bewegung eines einzigen Luftmoleküls bereits Schall.
Es ist also eine ganz wesentliche Erkenntnis, die die Basis der bisherigen Elektroakustik grundlegend ändert, dass auch eine nicht periodische Bewegungsform der Luftmoleküle Schall ist und bei der Auslegung von elektroakustischen Wandlern unbedingt mit beachtet werden muss. Deshalb ist es für höchste Ansprüche an Schallwandler sinnvoll, ihre Eigenschaften und Fähigkeiten in Bezug auf nichtperiodische und periodische Bewegungsformen zu prüfen und zu optimieren.
Zur Charakterisierung von Schall muss der jeweilige Umkreis der folgenden drei Begriffen näher untersucht werden, nämlich „Ruhe” und „Impuls” und „Schwingung oder Welle”. Bisher wurde beim Thema Schall vorrangig nur die Schwingung als eine stationäre, körperhafte und periodische Bewegungsform betrachtet.
Dieser Horizont ist eindeutig zu eng und muss auf nichtperiodische Bewegungsformen sowie den Gegensatz zu diesen Bewegungsformen ergänzt werden, nämlich die „Ruhe”. Dabei ist die „Ruhe” zunächst einmal durch den statischen Druck der Umgebungsluft definiert, also 1 Pascal.
Die darin stattfindende „Braun'sche Bewegung” der Luftmolekühle ist genau genommen bereits eine Form von Schall, der auch als „Grundrauschen” bezeichnet wird. Es ist bekannt, dass zum „Wohlbefinden”, also zum Normalzustand des Gehörs die Wahrnehmung dieses Grundrauschens zählt. Versuche haben gezeigt, dass Personen, die längere Zeit von dem Grundrauschen ferngehalten wurden, das als Belastung empfinden. Dieser Zusammenhang ist ein eindeutiger Nachweis für die bisher deutlich unterschätzten Fähigkeiten des menschlichen Hörorgans und insbesondere von dessen Auswertung im Gehirn.
Das vorgenannte Beispiel zeigt, dass bereits erstaunlich geringe Luftbewegungen vom menschlichen Gehör aufgenommen und ausgewertet werden. Deshalb muss für die Definition einer Schallwandlung von höchstmöglicher Güte, also einer Schallwandlung, die im Idealfall überhaupt nicht mehr als solche vom menschlichen Gehör wahrnehmbar ist, nochmals auf die eigentliche Ursache dieser Schallwahrnehmung eingegangen werden.
Das führt zwangsläufig zu den Newton'schen Gesetzen als dem Grundgesetz der klassischen Mechanik: Der Begriff der „Ruhe” steht in Beziehung zum ersten Teil des Newton'schen Trägheitsgesetzes, das „alle Körper bei Nichteinwirkung von Kräften im Zustand der Ruhe verharren”.
Der zweite Teil des Newton'schen Trägheitsgesetzes, dass Körper bei Nichteinwirkung von Kräften auch im Zustand der gleichförmigen gradlinigen Bewegung verharren können, ist für Schallwandler praktisch nicht relevant, da sie selbst und die Umgebungsluft stets Reibungskräften und Schwerkräften ausgesetzt sind.
Von umso größerer Bedeutung für die Schallwandlung ist jedoch das dynamische Kraftgesetz oder Aktionsgesetz von Newton Es wird auch das Grundgesetz der Dynamik genannt und bildet die Grundlage beim Aufstellen der Bewegungsgleichungen für zahlreiche Systeme der Mechanik, also auch für Schallbewegungen in der Luft: „Die Änderung der Bewegung einer Masse ist der Einwirkung der bewegenden Kraft proportional und geschieht nach der Richtung derjenigen geraden Linie, nach welcher jene Kraft wirkt.” Oder in einer Formel ausgedrückt: Die eine Bewegungsänderung bewirkende Kraft F ist der Impulsänderung/Zeitänderung, bei Massenkonstanz dem Produkt aus Masse m und Beschleunigung a proportional: F = m·a.
Die Impulsänderung ist von entscheidender Bedeutung bei der Entstehung einer Schallbewegung, denn erst dadurch wird das Darstellungsbild eines jeden Geräusches geformt. In der Newtonschen Formel kommt klar zum Ausdruck, dass alle Größen Vektoren sind, also im Raum gerichtete Größen. Das gilt auch für Schallbewegungen.
Um die Verluste an Informationen bei konventionellen Schallwandlern bewerten zu können, muss auch grundlegend abgeklärt werden, welche Informationen das menschliche Ohr beim „Hören” überhaupt erhält und wie es sie auswertet. Es ist Teil des Allgemeinwissens, dass das menschliche Gehör unterschiedliche Töne aus einem Gemisch von sinusförmigen Schallwellen mit unterschiedlichen Frequenzen und Amplituden voneinander unterscheidet, wie sie z. B. von Musikinstrumenten erzeugt werden. Auf diese Weise wird beim Hören das Klangbild einer Oboe von dem einer Geige differenziert.
Es setzt sich immer mehr die Erkenntnis durch, dass das menschliche Gehör keineswegs ausschließlich auf das Erfassen von stationären, periodischen Schwingungen der Luft beschränkt ist. Eine nicht minder bedeutungsvolle Aufgabe des Gehörs ist vielmehr auch das Erkennen von kurzzeitigen, dynamischen Luftdruckänderungen, sog. Transienten. Sie entstehen bei Geräuschen wie dem Knacken eines Zweiges oder dem Abschuss einer Gewehrkugel.
Es ist heute allgemein anerkannt, dass der Mensch auch über einen Erkennungsmechanismus für derartige Geräusche verfügt. Bemerkenswert ist, dass diese Erkennung sehr viel schneller anspricht und viel früher zu der Wahrnehmung einer „gehörten Information” führt, als dies bei Sinusschwingungen der Fall ist.
Bereits winzige Änderungen in der statischen Luftdruckverteilung, die z. B. durch die Kraftwirkung eines brechenden Zweiges oder eines aufprallenden Gegenstandes entstehen, werden vom Menschen nicht nur sofort erkannt, sondern können auch nach einer – ansonsten nicht wahrnehmbar kurzen – Zeit genau nach ihrer Richtung beurteilt werden.
Die Erklärung dafür ist ein über viele Entwicklungsstufen des Gehörs und des Gehirns hinweg ausgebildeter Alarmmechanismus. Die Ursprünge menschlicher Hörleistungen sind Alarmmeldungen, die dazu dienen, eine Gefahr zu orten und in ihren Charakter zu bestimmen. In der Evolution der Primaten haben sich diejenigen Individuen durchgesetzt, die ihren „Freßfeind” so frühzeitig bemerkten und so rechtzeitig lokalisieren konnten, dass sie ihm erfolgreich entkamen.
Deshalb beherrscht das Gehirn des modernen Menschen als einen „Kunstgriff” zur Identifikation der Richtung des Initialgeräusches, dass der Pegel des primären Geräuschimpulses auf seinem Weg zum Gehirn von darauf spezialisierten Nervenzellen bis auf das dreißigfache verstärkt wird. Der Impuls hebt sich während dieser Zeit überdeutlich vom Normalpegel ab und kehrt wenige Millisekunden danach wieder in den Normalzustand zurück, in dem sich das Gehör vorrangig auf die Wahrnehmung periodischer Signale wie z. B. Tönen fokussiert ist.
Währendessen können im Gehirn die Signale des linken und des rechten Ohres miteinander verglichen und ausgewertet werden, so dass die Richtung des Geräuschimpulses lokalisiert werden kann. Diese Fähigkeit ist auch als binaurales Hören bekannt.
Bei allen Schallsignalen, die nicht frontal von vorne auf den menschlichen Kopf auftreffen, sondern aus anderen Richtungen kommen, entstehen sog. interaurale Laufzeitdifferenzen (ITD) und sog. interaurale Pegeldifferenzen (ILD).
Laufzeitdifferenzen können durch das menschliche Gehör bereits ab einer Größe von 10 μs zur Richtungslokalisation ausgewertet werden, was einer Lokalisationsschärfe von etwa einem Grad entspricht. Bis zu einer Laufzeitdifferenz von 630 μs erhöht sich die Lokalisation in etwa proportional zum Laufzeitunterschied. Eine Laufzeitdifferenz von 630 μs entspricht einer Wegstreckendifferenz des Schalls von 21,5 cm. Diese Größe wird auch „Hornbostel-Wertheimer Konstante” genannt und entspricht dem durchschnittlichen Abstand der beiden Ohren am menschlichen Kopf.
Bei relativ langsam ansteigenden Impulsen wertet das Gehirn vorrangig die Phasendifferenzen zwischen den Signalen der beiden Ohren aus und bestimmt daraus die interaurale Laufzeitdifferenz (ITD).
Bei sehr schnell ansteigenden Impulsen basiert die Lokalisation auf der Auswertung interauraler Pegeldifferenzen ILD, sowie auf der Auswertung interauraler Gruppenlaufzeit-Differenzen, also den Laufzeitdifferenzen der Signal-Hüllkurven.
In einem dazwischen liegenden Bereich mittlerer Steilheit überlappt sich der Wirkungsbereich der beteiligten Effekte. Mit zunehmender Steilheit des Impulses wird der Winkelbereich, in dem interaurale Phasendifferenzen ausgewertet werden können, immer kleiner. Dafür steigt die Größe der interauralen Pegeldifferenzen.
Zu diesen Abläufen schreibt auch F. Pfander "Das Knalltrauma", Springer 1975, Berlin und "Das Schalltrauma", BMdV Bonn 1994. In Anlehnung daran zeigt 1 den Verlauf des Luftdrucks in Abhängigkeit von der Zeit am Ohr eines Zuhörers, wenn in einem gewissen Abstand von diesem durch eine einmalige, rechteckförmige Krafteinwirkung eine dynamische Luftdruckänderung erzeugt wird, nachfolgend auch kurz als ”dynamische Druckänderung” bezeichnet. Umgangssprachlich wird eine solche dynamische Druckänderung auch „Knall” genannt.
Sie hat ihren Ursprung im sog. Onset-Zeitpunkt t0, von dem aus der Luftdruck zunächst innerhalb des Zeitintervalls t0–t1 bis zum höchsten Druckwert Pm ansteigt. Darauf folgt ein aperiodischer Druckausgleich, währenddessen der Luftdruck ab dem Zeitpunkt t2 unter den atmosphärischen Luftdruck Pa absinkt und erst zum Zeitpunkt tv wieder auf den atmosphärischen Luftdruck Pa angestiegen ist.
Der Verlauf dieser Druckänderung lässt sich in vier verschiedene charakteristische Zeitzonen einteilen, die durch unterschiedliche phänomenologische Wirkung beim Menschen gekennzeichnet sind. Während des ersten Druckänderungsbereiches im Zeitintervall t0–t1 beschleunigt die im Onset-Zeitpunkt t0 einwirkende Kraft die relevanten Luftmassen.
Diese Beschleunigung ist auch als zeitliche Änderung der Geschwindigkeit zu bezeichnen. Je nach der Größe des maximalen Druckwertes Pm bewirken die mit variabler Geschwindigkeit bewegten Luftpartikel im menschlichen Gehör den Eindruck eines „Knalls” oder eines „Knackens”.
Zusätzlich zu der Information, dass überhaupt ein Geräusch zu hören ist, leitet das menschliche Gehör aus dem Laufzeitunterschied des Schalls zwischen den beiden Ohren die Information über den räumliche Ursprung des Schalls ab, indem es die Richtung ermittelt, aus der er kommt. Dazu ist es bereits innerhalb des Zeitintervalls t0–t1 in der Lage, da – wie zuvor bereits erwähnt – der maximal erkennbare Laufzeitunterschied des Schalls bei der Auswertung über beide Ohren ca. 630 μs betragen kann, wenn ein durchschnittlicher Ohrabstand von 21 cm, eine Schallgeschwindigkeit von 343 m/s und ein genau seitlicher Einfall des Schalls in Richtung einer – gedachten – Verbindungslinie zwischen beiden Ohren vorausgesetzt werden kann.
Nach der Messung der Richtung des Schalls konzentriert sich das Gehirn in einer zweiten Zeitzone t1–tv auf die Erkennung der Ursache des Schallimpulses. Typisch für diese Zeitzone ist der Ausgleich des maximal erreichten Luftdruckwertes Pm. Dieser Druckausgleich erzeugt ein weiteres Geräusch, das einem sog. „ausklingenden Grundton” ähnelt.
Der Begriff „Grundton” bezieht sich auf die Musik, die sich primär mit „Tönen” beschäftigt, also mit periodischen Schwingungen. Diese Schwingungen sind in der Praxis fast nie genau sinusförmig, lassen sich aber in eine Summe aus zahlreichen Sinusschwingungen zerlegen, was als Fourier-Analyse bezeichnet wird.
Die sich dabei ergebende Schwingung mit der tiefsten Frequenz – also mit der längsten Periodendauer – wird als „Grundton” bezeichnet. Alle anderen Schwingungen mit höheren Frequenzen sind sog. „Obertöne”. Der „Grundton” bestimmt die wahrgenommene Tonhöhe, während die mitschwingenden „Obertöne” die Klangfarbe des Tones bestimmen; sind die Obertöne eher gering ausgeprägt, spricht man von einem „grundtönigen” Klang.
In der zweiten Zeitzone t1–tv hängt die Art des von den Hörorganen aufgenommenen Grundtons u. a. von der zeitlich transportierten Energie der Sprunganregung ab.
Versuche haben das überraschende Ergebnis erbracht, dass in der zweiten Zeitzone t1–tv die Druckänderung in Form eines „ausklingenden Grundtons” in den Hörbereichen des Gehirns fast gar keine Tonhöhen-Empfindung bewirkt, obwohl eine Druckänderung von gleichem Verlauf in der vierten Zeitzone – etwa 30 ms nach t0 – sehr wohl als Ton empfunden wird. Deshalb werden die beiden Zeitzonen von t0–tv auch als sog. „Verdeckungszeit” bezeichnet. Obwohl die Druckänderung in der zweiten Zeitzone t1–tv periodisch und nicht sprungartig abläuft ist vor dem Erreichen des Zeitpunkts tv kein Tonhöhen-Empfinden möglich. Stattdessen ist das Gehirn vorrangig auf die Erkennung der Art des Geräusches fokussiert.
Erwachsene können in dieser zweiten Zeitzone bereits z. B. eine Trompete von einer Geige unterscheiden. Das ist insbesondere deshalb bemerkenswert, weil bei einem kontinuierlichen Ton diese beiden Arten von Musikinstrumenten sehr geringe Unterschiede in ihrem Klang aufweisen. In dieser Zeit hat im Gehirn der Vergleich mit erlernten Geräuschmustern den Vorrang.
Die Dauer der Verdeckungszeit beträgt je nach Anregung z. B. 10 ms bis 22 ms, was bei einer sinus- oder cosinusförmigen Onset-Anregung einer Anzahl von rund 9 bis 22 Perioden einer 1 kHz-Sinusschwingung entspricht. Vor Ablauf dieses Zeitintervalls t0–tv sind nach genauen empirischen Erkenntnissen des Erfinders nur der Ort und die Art einer Schallquelle wahrnehmbar.
Die dritte Zeitzone ist der sog. Unschärfebereich um den Zeitpunkt tv herum. In dieser Zeitzone ist das Gehirn bei der Auswertung der Druckänderungen nicht mehr auf Vergleiche mit Geräuschmustern beschränkt, sondern es setzt die Tonhöhenempfindung ein. Der Unschärfebereich beginnt – je nach Individuum etwa 10 ms nach dem Onset-Zeitpunkt t0 und endet spätestens etwa 30 ms nach t0.
Erst in der folgenden, vierten Zeitzone, also – etwa 30 ms nach t0 – analysiert das Gehirn die Druckänderungen vorrangig auf die darin enthaltenen Frequenzen und deren Anteil am Frequenzspektrum. Erst nach diesem Zeitpunkt setzt im Gehirn das ein, was bisher oft alleine unter „Hören” verstanden wurde.
Tatsächlich besteht das Hören jedoch aus der ersten Zeitzone, die mit dem Onset zum Zeitpunkt t0 beginnt und die etwa bis zum Zeitpunkt t1 fast ausschließlich für den angeborenen Gehirnprozess zum Ortserkennen der Schallquelle reserviert ist. Der zweite Teil des „Hörens” ist die zweite Zeitzone t1–tv, die vor allem zum Vergleich mit erlernten Geräuschmustern genutzt wird. Erst in der dritten Zeitzone, dem Unschärfebereich von etwa 10 ms bis etwa 30 ms nach t0, werden diese Prozesse abgeschlossen und die vierte Zeitzone mit dem Erkennen von Tonhöhen und Klangfarben beginnt.
Von diesen vier Zeitzonen des Hörens werden die ersten drei auch heute noch oft verkannt. Eine Erklärung dafür ist, dass während dieser drei ersten Zeitzonen Tonhöhen und Klangfarben fast gar nicht wahrgenommen werden, bei der Auswertung im Gehirn also „verdeckt” sind. Die bis heute überwiegend betrachtete Frequenzanalyse von Tönen und Klängen setzt erst nach dem Ablauf der vom Geräusch ausgelösten Verdeckungszeit tv ein, die mit dem Onset-Zeitpunkt t0 beginnt.
Im Folgenden wird ein weiterer, wichtiger Effekt beim ”Hören” beschrieben, der deutlicht macht, dass das menschliche Gehör über Fähigkeiten verfügt, die über das Wahrnehmen von gleichmäßigen periodischen Bewegungen weit hinausgehen. Es ist bekannt, dass das Gehör einem harmonischen Klang eine Tonhöhe zuordnet, deren Frequenz dem bereits erwähnten Grundton entspricht. Bei der Zerlegung eines Klanges in eine Vielzahl von sinusförmigen Schwingungen, auch Teiltöne genannt, ist der sog. Grundton der Teilton mit der niedrigsten Frequenz.
Dass beim Hören von allen Teiltönen, die der Klang enthält, gerade der Unterste zum Leitton gemacht wird, der dann durch seine Tonhöhe den ganzen Klang prägt, könnte ja dadurch zu erklären sein, dass bei den meisten Klänge der Grundton derjenige Teilton mit der größten Amplitude ist. Und in der Regel dominiert unter den Teiltönender Grundton tatsächlich.
Deshalb hat man bis vor wenigen Jahrzehnten geglaubt, dass der Grundton aufgrund seiner spektralen Dominanz die Tonhöhe des ganzen Klanges bestimme. Das folgend beschriebene Experiment zeigt sehr eindrucksvoll, dass dem nicht so ist: Wenn ein elektronisch erzeugter, sägezahnförmiger Ton über einen Lautsprecher ausgestrahlt wird, empfindet das Gehör die Tonhöhe dieses harmonischen Klanges erwartungsgemäß mit der Frequenz des Grundtons. Und tatsächlich ist hier der Grundton auch mit der weitaus größten Amplitude im Klangspektrum enthalten.
Wenn im nächsten Schritt des Versuches der Grundton elektronisch herausgefiltert wird, entsteht ein Ton, dessen tiefster Teilton nunmehr die doppelte Frequenz des Grundtones und die größte Amplitude aufweist. Eigentlich wäre im ersten Ansatz zu erwarten, dass dieser verstümmelte Klang deshalb eine Oktave höher klingen würde als der ursprüngliche, sägezahnförmige Ton. Das ist aber nicht der Fall. Zwar verliert der Klang viel von seiner tiefen, vollen Klangfarbe, aber seine Klangtonhöhe ist eindeutig die gleiche geblieben, nämlich die des – nun nicht mehr im Spektrum enthaltenen – Grundtons.
Es ist also davon auszugehen, dass das Gehör die Klangtonhöhe aus der Gesamtheit der Teiltöne bestimmen kann. Im Hörzentrum des Gehirns ist die Erfahrung abgespeichert, dass ein harmonischer Klang stets aus Teiltönen besteht und dass in einem Klang meistens der Grundton dominiert, weshalb grundsätzlich dem Klang die Tonhöhe des Grundtons zugeordnet wird. Erscheint dem Gehör nun ein Klang, in dem der Grundton nicht dominiert oder gar fehlt, so rekonstruiert es dennoch den gewohnten Klang aus den vorliegenden Informationen, nämlich aus den übrigen Teiltönen. Das Gehör extrapoliert gewissermaßen den fehlenden Grundton, indem es aus der Systematik der vorhandenen Harmonischen auf das Vorhandensein eines Grundtons schließt.
Auch andere menschliche Sinnesorgane besitzen ähnliche Fähigkeiten, und zwar vorzugsweise für zeitlich stationäre Ereignisse. Z. B. hat das menschliche Gehirn ein gutes Gedächtnis für Bildeindrücke, weniger jedoch für deren zeitliche Folge. solcher. Dem entsprechend dient auch der „Spektralapparat Gehör” wie jeder andere Spektralapparat dazu, zeitliche Veränderungen als stationäre Ereignisse darzustellen. Es könnte also sein, dass der Aufwand der Spektralanalyse der Schallbewegungen im Ohr dazu dient, stationäre und damit lern- und speicherbare Informationen zu erhalten.
Wenn Schallereignisse auf das Trommelfell des menschlichen Ohres treffen, werden sie über Hammer, Amboss und Steigbügel mechanisch um das etwa 22-fache verstärkt als mechanische Schwingungen an die Hörschnecke weitergeleitet. Die Hörschnecke besteht – auseinander gerollt und vereinfacht beschrieben – aus drei parallel verlaufenden, flexiblen Schläuchen, auch Scala genannt. Der mittlere der drei Schläuche ist die Scala media, die an einer Seite an die Scala vestibuli angrenzt und an der gegenüberliegenden Seite an die Scala tympani. Am Ende der Hörschnecke sind die Scala vestibuli und die Scala tympani miteinander verbunden und beide mit der flüssigen Perilymphe befüllt.
Die Verbindungsfläche zwischen der Scala media in der Mitte und der Scala vestibuli ist die Reissnersche Membran und die Verbindungsfläche zwischen der Scala media und der Scala tympani ist die Basilarmembran. Die letztere ist am Anfang der Hörschnecke schmal und steif und am Ende breit und weich.
Ein eintreffender Schallimpuls wird vom Steigbügel über das ovale Fenster in die Scala vestibuli eingeleitet und pflanzt sich dort in der flüssigen Perilymphe als eine Wanderwelle fort. Deren Druck wird durch die Reissnersche Membran hindurch in die Scala media und von dort durch die Basilarmembran hindurch in die Scala tympani weitergeleitet.
Durch die genannte Charakteristik der Basilarmembran nimmt über die Länge der Hörschnecke hinweg die Geschwindigkeit der Wanderwelle ab und die Verformung der flexiblen Basilarmembran nimmt dafür zu. Es wandert also eine Verformung die Scala media entlang, die bei sehr steilen Anstiegen des Schallimpulses oder entsprechend bei sehr hohen Frequenzen schon im vorderen Teil der Hörschnecke ihre maximale Auslenkung hat und bei sehr langsamen Impulsanstiegen oder bei sehr niedrigen Frequenzen erst im hinteren Teil der Hörschnecke ihr Maximum erreicht.
Deshalb entspricht die Länge der ausgerollten Kochlea von 31,5 mm auch der unteren Grenzfrequenz der vom Menschen als Ton wahrnehmbaren Schwingung von 16 Hz.
Zur Übertragung der Information über diese Verformung dienen die Haarzellen, die an einem Ende mit der Tektorial- oder Deckmembran verbunden sind und am anderen Ende auf der Basilarmembran mit Nervenzellen in Verbindung stehen. Die Tektorialmembran ist ein schmaler Streifen, der sich parallel zur Basilarmembran durch die Scala media erstreckt und dort an einer Längskante verschwenkbar angewachsen ist.
Auch die schlauchförmige Scala media in der Mitte zwischen den beiden Schläuchen der Scala vestibuli und der Scala tympani ist mit einer Flüssigkeit befüllt, nämlich der Perilymphe. Die Bewegungen der Scala vestibuli und der Scala tympani werden deshalb auch an die Perilymphe in der Scala media weitergegeben.
Durch diese Bewegungen verschwenken sich ebenfalls die Tektorialmembran und die Basilarmembran gegeneinander und erregen so die eigentlichen Schallsensoren im Innenohr, nämlich die Haarzellen, die daraufhin Botenstoffe, die sie in kleinen Vesikeln vorrätig halten, als Information über Nervenzellen weiter an das Gehirn geben.
Dabei übertragen die Haarzellen die Information mit größter zeitlicher Präzision und zeigen die höchsten Übertragungsraten im gesamten Nervensystem. Erst seit 2005 ist klar, wie die Haarzellen solch hohe Raten bewerkstelligen können.
Claudius P. Griesinger vom Physiologischen Institut II der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg hat zusammen mit Forschern des University College in London herausgefunden, dass z. B. die Nervenzellen der Großhirnrinde oder des Hippocampus ihre Botenstoffe über Vesikel ausschütten, die sie ständig recyceln und wieder füllen, sich hingegen die Haarzellen nur zu etwa zehn Prozent auf das langsame Recycling der Vesikel stützen. Die meisten ihrer Vesikel produzieren sie kontinuierlich in ihrem Zellkörper, so dass ständig ein großer Vorrat an Botenstoff-Paketen zur schnellen und akkuraten Signalweiterleitung zur Verfügung steht.
Bei herkömmlichen Nervenzellen können maximal nur etwa 20 Vesikel pro Sekunde freigesetzt werden, da das Recycling höhere Übertragungsraten nicht zulässt. Die Haarzellen im Ohr haben durch ihre Vorratsproduktion der Vesikel die maximal mögliche Freisetzung um Größenordnungen gesteigert. Dadurch können sie Information mit viel höheren Geschwindigkeitsraten übermitteln, was überhaupt erst eine präzise Übertragung der zeitlichen Feinstruktur von akustischen Informationen ermöglicht.
Die Haarzellen sind in zwei Gruppen aufgeteilt, nämlich die inneren Haarzellen und die äußeren Haarzellen. Die inneren Haarzellen in der Scala media erkennen wegen ihrer mechanisch geradlinigen Aufreihung auf der Basilarmembran aus ansonsten gleichförmiggeradlinigen Schallbewegungen eine Krümmung in positiver und negativer Richtung als absolute physikalische Zeitpunkt-Ursache einer beschleunigten Bewegungsänderung im Schall-Ansatz aus der Ruhe oder seinem Schall-Fortsatz.
Möglich wird diese Vektor-Sensorik der Haarzellen dadurch, dass sie – im Gegensatz zu den äußeren Haarzellen – nicht mit der Tektorialmembran verbunden sind. Stattdessen können sie sich freischwimmenden innerhalb der Endolymphflüssigkeit der Cochlea bewegen. Bisher werden sie in der Literatur ebenso wie die äußeren Haarzellen als angedockt an die Tektorialmembran dargestellt.
Als verfügbarer Analysierbereich stehen 31,5 mm Zilien-Weglänge zur Verfügung. Diese Weglänge wird von einem Kraftstoß-Impuls in etwa 5 ms vom ovalen Fenster bis zum Heliokotrema durchlaufen. Durch die Wurzel aus der Geschwindigkeits-Dispersion des Biegewellenmechanismus in der Chochlea beobachten die IHZ den Zeitbereich von 10 μs bis 10 ms gleich 1:1000. Durch die Biegewellen-Wurzel aus 1000 beträgt die zurückgelegte Weglänge 31,6 mm. Auf dieser Länge stehen etwa 3200 Vektorzilien, welche die Richtung und die Amplitude (max. 30 dB) über der Hörschwelle alle Schallformen als Information (lat.: In-Form-Machung) detektieren können, ohne periodisch zu sein. Umgangssprachliches Beispiel ist: Der sog. „Schlagton” einer Glocke. Grund: Weil es eben nur ein Kraftstoß-Impuls, ohne Periodizität, von augenblicklicher Natur ist (Trendelenburg S. 59).
Für das komplette Impuls-Intervall (Gegensatz zum Ansatz-Zeitpunkt für den R-L Vergleich zur Körperort-Lokalisation: min. 10 μs bis 700 μs max.) steht der transversale positive und negative Vektor-Halbkreis zur Verfügung. Das entspricht 2 × 5 ms = 10 ms × 3,14 (π) ergibt 31,4 ms Laufzeit Erkennungsbereich. Damit stehen 31,4 ms für den schallgebenden Körper in seiner Abbildung als Ort und Gestalt dem Gehör zur Verfügung. In dieser Zeitspanne wird im Erkennen das Einzelbild einer ikonischen Darstellung unterbewusst in der menschlichen Wahrnehmung als Hörereignis präsentiert, wenn der kleinste Punkt für das zentrale Abbildungsvermögen von 10 μs Zeitdauer in seiner Hörschärfe von der Welt der Technik der menschlichen Hörwelt zur Verfügung gestellt werden kann. Hierzu dient die neue Spalt-Mikrofon-Technik.
ÄHZ-Empfinden:
Die an der Tektorialmembran angedockten Sinneszellen empfinden anhand ihrer Sinunus-Halbwellenförmigen Anordnung, auch V oder W Formung genannt, die mechanischen Schallschwingungen in Tonhöhe/Ort auf der BM abgebildet. In den drei Reihen der ÄHZ ergeben sich 30 dB im Amplituden-Maximum, was zusammen mit den IHZ bis zur Schmerzgrenze bei 120 dB führt (Wolf D. Keidel 1989). In der wissenschaftlichen Literatur wurden darüber viele Vorstellungen und Modelle seit Helmholtz veröffentlicht.
Diese bei der Schallübertragung wesentlichen Besonderheiten des menschlichen Hörens müssen auch von den als Schallwandler dienenden Lautsprechern berücksichtigt werden, dann nur dann hat ein hochwertiges Mikrofon, dessen elektrische Ausgangssignale alle Informationen gespeichert hat, die in den Bewegungsimpulsen am Ort der Entstehung eines Geräusches oder eines Tones enthalten sind, überhaupt einen Nutzen.
Da die Güte einer verketteten Übertragung eines Geräusch- oder Klang-Impulses über Bewegungen der Luftmoleküle, ein Mikrofon, das zwei elektrische Signale erzeugt und zwei Lautsprecher, die aus diesen Signalen wieder Bewegungen von Luftmolekülen erzeugen bis hin zum menschlichen Gehör nur so hoch sein kann, wie das schwächste Glied in dieser Kette, muss im Folgenden auch auf die Übertragungsgüte der Lautsprecher gemäß dem aktuellen Stand der Technik eingegangen werden.
Denn wesentliche Erfordernisse bei der Übertragung von Schall werden beim Bau von den meisten Schallwandlern auch heute noch weitgehend missachtet. Für viele Hersteller gilt auch heute noch ein Lautsprecher als optimal, der einen guten gleichförmigen Amplituden-Frequenzgang im hörbaren Frequenzbereich hat und kontinuierliche, quasi statische Sinusschwingungen ausreichend gut reproduzieren kann.
Dagegen bleibt weitgehend unberücksichtigt, ob mit einem Lautsprecher auch ein dem dynamischen Druck-Zeitverlauf nach 1 entsprechender Kurvenverlauf erreichbar ist, was zur vollständigen Übermittlung aller im Zeitintervall t0–tv vorhandenen Informationen und damit für einen dem Signal dynamisch genau folgenden Verlauf erforderlich ist.
Wenn es also um die Aufzeichnung und die Wiedergabe von Geräuschen und Tönen geht, dann müssen von den elektromechanischen Wandlern, die als Mikrofon die Bewegungen von Luftmolekülen in elektrische Signale umsetzen, sowie von den – als Lautsprecher bezeichneten – anderen elektromechanischen Wandlern, die diese Signale wieder zurück in Schall, also wieder in Bewegungen von Luftmolekülen umwandeln – idealer Weise sämtliche zuvor beschriebenen Informationen übertragen werden.
Auf aktuellem Stand der Technik bestehen durchschnittliche Lautsprecher aus einem Hohlkegel, der an seinem Rand mit einem umlaufenden, federnden Streifen fest eingespannt ist und in seiner Mitte von einem elektrischen Antrieb vor uns zurück bewegt wird.
Um zu prüfen, wieweit ein solcher herkömmlicher Lautsprecher auch einen Schallimpuls exakt wiedergeben kann, wird er einer Sprunganregung unterworfen, indem sein Antrieb mit einer Gleichspannung verbunden wird, wodurch eine dynamische Druckänderung bewirkt wird.
Wenn die Wiedergabetreue des Lautsprechers den zuvor genannten Anforderungen entsprechen würde, würde er bei einer dynamischen, sprungartigen Aktivierung seines Antriebes eine Kurve für die Druckänderung in Abhängigkeit von der Zeit erzeugen, die zur 1 identisch wäre.
Auf dem für Lautsprecher derzeit am weitesten verbreiteten Stand der Technik ergeben sich jedoch ganz andere Kurvenverläufe, die in 2 beispielhaft dargestellt sind. 2 zeigt oben links das rechteckförmige elektrische Eingangssignal für den Antrieb des Lautsprechers und daneben die theoretisch ideale Druckänderung an einem Ort vor dem Schallerzeuger. In den unteren beiden Reihen sind die tatsächlich erhaltenen und mit einem Messmikrofon gemessenen Kurvenverläufe dargestellt, wenn sechs willkürlich herausgegriffene, herkömmliche Studio-Abhör-Lautsprecher als Quellen zur Erzeugung der dynamischen Druckänderung der Luft verwendet werden.
Es zeigt sich, dass die Kurvenverläufe innerhalb der gemäß 1 ersten Zeitzone t0–t1 und der zweiten Zeitzone t1–tv in erheblicher Weise verfälscht werden. Insbesondere innerhalb der zweiten Zeitzone t1–tv wird der durch die Sprunganregung eigentlich zu reproduzierende, theoretisch ideale „ausklingende Grundton” durch zahlreiche, vom jeweiligen Lautsprecher erzeugte ganz kurze Geräusche überlagert, die etwa 0,1 Millisekunden bis zu 20 Millisekunden andauern und vom der Lautsprechermembrane zu Beginn jeder Klangerzeugung entwickelt werden.
Die Lautsprechermembrane ist eine relativ träge Masse, die durch den elektrischen Antrieb in eine Richtung gestoßen wird, wobei sich dem Auslenken die Federkraft der Membrane und ihrer Aufhängung solange entgegensetzt, bis die Masse zum Stillstand kommt. Dann beschleunigt die Federwirkung die Membrane wieder in die andere Richtung und schwingt dabei über ihre ursprüngliche Ruhelage hinaus. Mit diesem Einschwingvorgang pendelt sich der Lautsprecher auf Schwingungen mit einer bestimmten Frequenz ein.
Konventionelle Lautsprecher reproduzieren nämlich nicht nur sehr frequenzgetreu Musik, sie produzieren auch ständig eine Unmenge ganz kurzer Geräusche, die etwa 0,1 Millisekunden bis zu 20 Millisekunden andauern.
Die Unterteilung in Hochton-, Mittelton- und Tieftonlautsprecher bedingen auch noch unterschiedliche Eigenschwingungen bei den üblichen Masse/Feder-Systeme herkömmlicher Wandler. In einer konventionellen Dreiwege-Box sind in Folge die drei ganz verschiedenen Einschwinggeräusche von Hochton-, Mittelton- und Tieftonlautsprecher zu hören.
Diese Verfälschungen sind eine Ursache dafür, dass bei sprungförmiger Anregung konventioneller Lautsprecher die Kurve des Schalldruckers über der Zeit von der idealen Kurve einer sehr getreuen Musik und Geräuschwidergabe deutlich abweicht.
Dieser Effekt wird derzeit auch unter dem Begriff der „Impulstreue” diskutiert. Als Impulstreue wird das Vermögen eines Lautsprechers bezeichnet, einem impulsförmigen Signal möglichst ganz ohne Einschwing- bzw. Ausschwingvorgänge zu folgen. Stattdessen produzieren die meisten Lautsprecher auf aktuellem Stand der Technik selber Schwingungen mit tiefen und mittleren Frequenzen, die unter anderem durch Partialschwingungen auf der Membran, eine insgesamt hart aufgehängte Membran und Hohlraumresonanzen in der Lautsprecherbox und im Hörraum hervorgerufen werden.
Wenn eine konventionelle Lautsprechermembran einen Impuls abstrahlen soll, so löst das Bewegungen der Lautsprechermembran aus, die wellenförmig nach außen laufen. Dadurch wird noch Schall abgestrahlt, obwohl der Impuls längst zu Ende ist. Im Regelfall ist der Rand der Membran nicht mit dem korrekten Wellenwiderstand abgeschlossen, so dass die Welle reflektiert wird und den Impuls weiter verlängert.
Dadurch wird eine einwandfreie Reproduktion der Schallsignale und der dazu erforderlichen Druckänderungen unmöglich, denn in der ersten Zeitzone t0–t1 und in der zweiten Zeitzone t1–tv eines Schallimpulses, in denen das menschliche Gehör und das Hörzentrum des Gehirns eigentlich den Ort und die Art des Schallimpulses ermitteln, ist der Schallimpuls überhaupt nicht hörbar, sondern es erklingen nur die Betriebsgeräusche des einschwingenden Lautsprechers. Dadurch wird die Aufmerksamkeit des Zuhörers auf die Lautsprecher, ihre Größe und ihren Aufstellungsort gelenkt.
Nach vielen Jahren von Forschungs- und Entwicklungsarbeit von J. W. Manger ist es jedoch jetzt gelungen, einen elektroakustischen Wandler zu schaffen, der bei einer Sprunganregung im wesentlichen einen der 1 entsprechenden Kurvenverlauf bewirkt. Ein Ergebnis dieser Forschungen und Entwicklungen ist der unter der Bezeichnung MSW bekannte Biegewellenwandler, wie u. a. in DE PS 18 15 694 , DE 22 36 374 C3 , DE 25 00 397 A1 und DE 27 25 346 C3 beschrieben.
Das Wirkungsprinzip dieses Biegewellenwandlers weicht von üblicher Wandlern mit Konusmembranen dramatisch ab. Hier dient zur Schallabstrahlung eine biegeweiche, zähelastische Membran, die in Richtung ihrer Anregung nahezu keine Rückstellelastizität besitzt. Sie erzeugt Biege- bzw. Wanderwellen, die vom Zentrum zum Rand wandern und dort auslaufen, ohne dass Eigenschwingungen und/oder stehende Wellen erzeugt werden. Außerdem können extrem kurze Anstiegszeiten im Bereich bis zu 14 Mikrosekunden entsprechend der ersten Zeitzone t0–t1 erzielt werden. Mit derartigen Biegewellenwandlern ist es erstmals möglich, die Kurvenverläufe nach 1 nahezu unverfälscht zu reproduzieren.
Dies zeigt 3 in einer zu 2 analogen Darstellung. Die erhaltene Luftdruckänderung am Messort kommt dem im mittleren Bereich gezeigten Ideal vergleichsweise nahe. Insbesondere fehlen bei Anwendung eines Biegewellenwandlers störende, durch den Lautsprecher bedingte Druckänderungen nahezu vollständig, wodurch der Lautsprecher als solcher von den Hörern nicht mehr erkannt und das Originalsignal nahezu unverfälscht übertragen und empfunden werden kann.
Die beschriebenen Unterschiede zwischen den beiden Wandlertypen sind besonders bei stereophonen Reproduktionen mit zwei Lautsprechern sehr deutlich wahrnehmbar. Bei Anwendung herkömmlicher Lautsprecher ist eine Stereo-Übertragung trotz der genannten grundsätzlichen Mängel nur dann einigermaßen störungsfrei, solange sich der Zuhörer genau in der Achse zwischen den beiden Lautsprechern, d. h. in der sog, Stereomitte befindet. Entfernt sich der Zuhörer auch nur geringfügig von dieser Achse, werden die Störungen sofort extrem erkennbar, da dann der näher liegende Lautsprecher mit seinen Fehlern unterschwellig und intuitiv erkannt wird. Als „intuitiv” werden Informationsverarbeitungen im Gehirn bezeichnet, von denen nur das Ergebnis, nicht aber der Verarbeitungsvorgang wahrgenommen werden.
Biegewellenwandler nach dem Prinzip von J. W. Manger sind jedoch im wesentlichen frei von Eigenschwingungen, so dass Entfernungen der Zuhörer aus der Stereomitte ohne nennenswerte Einschränkungen sind, da der dann näher gelegene Lautsprecher mangels wesentlicher Eigenschwingungen nicht als störend empfunden wird. Dadurch können gleichzeitig mehrere Personen in den Genuss desselben Darstellungsinhalts kommen.
Mit dem MSW-Wandler kommt der Musikhörer der Illusion nahe, vor dem Instrument selbst zu sitzen, denn die Reproduktion ist praktisch nicht mehr hörbar, da der MSW-Wandler keine Einschwinggeräusche mehr abstrahlt. Anstelle von Lautsprechereigengeräuschen nimmt das Gehör nur noch die Einschwingvorgänge der Musikinstrumente wahr, die das Instrument im Konzertraum lokalisieren und sein Charakterbild wiedergeben.
Das entscheidende Merkmal ist die dünne und biegeweiche Plattenmembrane, die aus drei Schichten besteht. Sie speichert keine Kräfte, die durch Antrieb oder Rückfederung entstehen. Stattdessen heben die gegeneinander wirkenden Masse- und Federkräfte ihre Speicheranteile innerhalb der Membrane selbst auf. Sie werden mit dem Schall als Wärme abgeführt.
Die Membrane schwingt in einer Anstiegszeit von nur 0,015 Millisekunden auf die Signalfrequenz und hält diesen Ton bis zur musikalisch vorgegebenen Signaländerung. Mit einer einzigen Membrane wird der ganze Übertragungsbereich von 80 Hertz bis 33 Kilohertz abdeckt. Damit können die bei konventionellen Mehrfach-Lautsprechern notwendigen Frequenzweichen und phasenungleichen Überlappungen im klangbildbestimmenden Frequenzbereich vermieden werden.
Stattdessen entsteht hier der Klang auf einer einzigen, relativ sehr kleinen Fläche, die im Vergleich zu bisherigen Systemen dem Ideal der Klangerzeugung in einem Punkt schon sehr nahe gekommen ist. Alle Wellen, die ihn definieren, bilden vor der Membrane eine komplexe Schalldruckwellenform, da hohe und niedrige Frequenzen gleichzeitig an unterschiedlichen Stellen der einen Membrane entstehen. Im Vergleich zu konventionellen Lautsprechern wird das Eingangssignal nahezu perfekt abgebildet, so dass an das menschliche Ohr das ursprüngliche und vollständige Schalldruckbild gelangt, das einmal das Mikrofon zur Reaktion gebracht hat.
Dennoch hat sich überraschend gezeigt, dass sehr empfindsame Zuhörer auch bei Anwendung von Biegewellewandlern nach dem soeben beschriebenen Prinzip immer dann, wenn sie sich außerhalb der Stereomitte befinden, nicht klar definierbare Änderungen der Schallwiedergabe erkennen können. Messungen haben ergeben, dass dies direkter darauf zurückzuführen ist, dass der Onset-Zeitpunkt t0 umso stärker verschoben und die Anstiegsflanke von Pa auf Pm – siehe 2 – umso stärker verformt wird, je weiter sich der Zuhörer aus der Mittelachse des Biegewellenwandlers entfernt.
Dies ist in 4 gezeigt, bei der das gleiche Messverfahren wie in 3 angewandt wurde. Der Lautsprecher wurde also mit einer rechteckförmigen Spannung erregt und seine Sprungantwort mit einem Messmikrophon erfasst. Bei der Anordnung des Messmikrophons n der Mittelachse ergibt sich für den Verlauf des Luftdruckes am Biegenwellenwandler über die Zeit hinweg die Kurve A₀-B₀. Wenn das Messmikrophon dann in Schritten von jeweils etwa 15° aus der Mittelachse verschoben wird, werden vom Messmikrophon die Druckverläufe A₁-B₁ bis A₄-B₄ gemessen. Mit zunehmender Entfernung des Messmikrophons von der Mittelachse bis zum Extremfall einer Entfernung von 60° wird der Verlauf des Druckanstieges am Biegewellenwandler immer mehr zu einer S-Kurve. Der Anstieg ist also nicht linear.
In 4 ist das Messergebnis auf der Zeitachse mit einem Maßstab von 50 Mikrosekunden pro Rastereinheit wiedergegeben. 4 zeigt, dass der nichtlineare Verlauf des Druckanstieges der Kurve A₄-B₄ sich über den Zeitraum von etwa einer Rasterlänge, also von etwa 50 Mikrosekunden erstreckt. Im Vergleich mit der 1 wird deutlich, dass die „erste Zeitzone t0–t1” des menschlichen Hörens mit der Schallquellenortung nach einer derart langen Zeit bereits nahezu verstrichen ist. Deshalb ist auch mit einem Biegenwellenwandler nach dem Prinzip von J. W. Manger eine einwandfreie Wiedergabe der Schallquellenortung ohne ein weiteres Hilfsmittel nur dann möglich, wenn sich der Zuhörer in der Mittelachse des Biegewellenwandlers aufhält.
In 5 ist das Ergebnis einer gleichen Messung wie in 4 wiedergegeben, hier jedoch mit einem akustischem Umlenkelement, das eine Hälfte des Biegewellenwandlers abdeckt. Auch bei dieser Messung wird das Messmikrophon wieder zuerst in der Mittelachse des Biegewellenwandlers angeordnet und dann jeweils in Schritten von etwa 15° aus dieser Mittelachse heraus entfernt. 5 zeigt als Messergebnis ganz deutlich, dass der Kurvenanstieg unabhängig vom jeweiligen Winkel absolut linear ist.
Dadurch ist sicher gestellt, dass Änderungen des Druckwertes unverzerrt wiedergegeben werden, dass also in dieser Konfiguration eines Biegenwellenwandlers mit einem hälftig davor gesetzten, akustischen Umlenkelement auch Schallbewegungen aus der ersten Zeitzone des menschlichen Hörens mit der Schallquellenortung korrekt möglich ist. In dieser Konfiguration wird das angestrebte Ideal einer nicht mehr wahrnehmbar verfälschten Wiedergabe der Schallbewegung bei der zeitgenauen Umformung von Schallbewegungen durch mechanisch bewegte Luftmoleküle in Draht gebundene elektrische Signale und wieder zurück in Schallbewegungen durch einen als Lautsprecher bezeichneten Wandler erreicht.
Die bis hier vorgelegte, vergleichsweise sehr ausführliche Beschreibung der physikalischen Grundlagen und des bisher erreichten Standes der Technik hat gezeigt, dass konventionelle Lautsprechersysteme und die bisher bekannten Mikrofone nur Klänge und Töne übertragen können. Das Ziel dieser Erfindung ist jedoch ein dreidimensionales Hören, bei dem auch die vektoriellen Informationen jedes Schallsignals übertragen werden, so dass der Zuhörer zusätzlich zu den Klängen und Tönen auch deren Ort und deren Art identifizieren kann.
Dieses Ziel wurde mit den MSW-Biegewellenwandlern für die Umwandlung elektrischer Signale in die Bewegungen von Luftmolekülen fast vollständig erreicht. Erst mit der Verfügbarkeit solcher Schallwandler können die Grenzen der auf bisherigem Stand der Technik bekannten Mikrofone aufgezeigt werden.
Weithin und in zahlreichen Ausführungsvarianten bekannt sind Mikrofone, die als elektroakustische Wandler die Bewegungsimpulse der sie umgebenden Luft, die durch Geräusche und Töne entstanden sind, in entsprechende elektrische Spannungsimpulse wandeln.
Es ist unstrittig, dass von allen bekannten Varianten das Prinzip des sog. Kondensatormikrofons die geringsten Verfälschungen bei der Umwandlung des Schalldruckbildes in eine elektrische Spannung bewirkt. Auf aktuellem Stand der Technik besteht ein Kondensatormikrofon aus einer sehr dünnen, flexiblen und elektrisch leitfähigen Membran, die elektrisch isoliert und in sehr geringem Abstand vor einer Metallplatte angebracht ist.
Die Membranen haben meist nur eine Materialstärke von wenigen Mikrometern, so dass sie auch durch sehr schwache Bewegungsimpulse der Umgebungsluft noch in Bewegung versetzt werden. Zwischen der Membran und der Metallplatte befindet sich eine Luftschicht, die bei jeder Bewegung der Membran komprimiert wird. Damit sich diese Luftschicht nicht verzerrend auf die Bewegung der Membran auswirkt, ist die Metallplatte zumeist mit zahlreichen Bohrungen versehen, durch welche die unter Druck gesetzte Luft strömt und in einen – ebenfalls luftgefüllten Hohlraum hinter der Metallplatte fließt, der im Vergleich zum Luftraum zwischen Membran und Metallplatte sehr groß ist.
Eine derartige Anordnung wirkt elektrisch wie ein Plattenkondensator mit einem Luft-Dielektrikum. In der Praxis sind Kapazitäten von etwa 20 bis 100 pF typisch. Die Bewegungsimpulse der umgebenden Luft bewegen auch die Membran, wodurch sich der Abstand zwischen der Membran und der Metallgatte und damit auch die Kapazität des Kondensators verändern.
Um diese Schwankungen der Kapazität in ein elektrisches Spannungssignal umzuwandeln, wird der Kondensator über einen hochohmigen Widerstand mit einer Gleichspannungsquelle wie z. B. einer Batterie verbunden, die ihn auflädt. Wenn ein Bewegungsimpuls der Luft auf die Membran übertragen wird und sie dadurch bewegt, so verändert sich die Kapazität des aufgeladenen Kondensators und es fließt aus der Gleichspannungsquelle ein Stromimpuls über die Kapazität und den Widerstand. Ein dazu proportionaler Spannungsimpuls kann am Widerstand abgegriffen werden und einem Mikrofonverstärker zugeführt werden. Dieser Mikrofonverstärker dient als Impedanzwandler und passt direkt im Mikrofon dessen Impedanz an das Kabel zur Signalübertragung an. Die Signalspannung wird dabei nicht verstärkt.
Der Widerstandswert muss so hoch gewählt werden, dass bei einer Kapazitätsänderung im Rhythmus der unteren Grenzfrequenz (zum Beispiel 20 Hz) die Ladung noch ausreichend konstant ist, sodass sich die Spannung am Kondensator mit den Schallschwingungen ändert. Es ergeben sich je nach Kapselkapazität Widerstandswerte von bis zu etwa 1 GΩ.
Ein derartiges Kondensatormikrofon erläutert z. B. die Offenlegungsschrift DE 10 2008 013 395 A1 . Darin wird beschrieben, wie die Metallplatte gegenüber der Membran aus einem Material hergestellt werden kann, das ursprünglich nur als Platine für elektronische Schaltungen gedacht war. Auf einem mechanisch sehr stabilen Trägermaterial, z. B. aus Keramik, ist eine dünne Kupferschicht aufgebracht, die mit geringem Aufwand in die für ein Kondensatormikrofon erforderliche Form gebracht werden kann.
Ein einziges dieser Mikrofone kann jedoch keinesfalls elektrische Signale für das aufgabengemäße, dreidimensionale Hören erzeugen. Es ist weithin bekannt, dass für jedes der beiden menschlichen Ohren ein eigenes Signal benötigt wird. Erst aus dem Vergleich der Signale von beiden Gehörorganen kann das menschliche Gehirn einen Laufzeitunterschied ableiten und dadurch eine Richtung erkennen.
Deshalb werden zwei Mikrofone benötigt, die insgesamt zwei elektrische Signale erzeugen. Jedes elektrische Signal wird jeweils einem eigenen Schallwandler zugeführt, insgesamt werden also zwei Schallwandler angesteuert. Derartige Mikrofone sind auch als Stereomikrofone bekannt.
Ein Stereomikrofon stellt die DE 91 01 371 vor. Es nennt insgesamt drei Mikrofone, die nebeneinander angeordnet sind und in verschiedene Winkel zueinander gebracht werden können. Wenn die Mikrofone in einem Winkel zueinander ausgerichtet sind, treffen die Schallimpulse nur auf ein Mikrofon frontal auf und auf die anderen seitlich.
Da jedes Mikrofon eine Richtcharakteristik hat, unterscheiden sich die beiden Signale deutlich. Dadurch entsteht der Nachteil einer gegenseitigen Verzerrung.
Wenn alle Mikrofone in die gleiche Richtung weisen, sind die Unterschiede in der Form der empfangenen Signale sehr gering. Ein ganz gravierender Nachteil entsteht jedoch bei Schallwellen, die nicht genau orthogonal auf die beiden Mikrofone auftreffen, sondern schräg zu ihrer Längsachse. Die Mikrofone haben einen Abstand zueinander. Selbst wenn sich die Mikrofone mechanisch berühren, so ist der Abstand im Verhältnis zu derjenigen Laufzeit des Schalls immer noch sehr groß, innerhalb derer das menschliche Gehör ein Schallsignal auf seinen Entstehungsort hin auswertet, also die Laufzeitunterschiede zwischen dem am linken Ohr und dem am rechten Ohr gehörten Schallsignal bewertet.
Erst durch die Erfassung der Laufzeitunterschiede von ansonsten links und rechts gleichen Signalen kann das menschliche Gehirn die Richtung des empfangenen Signals ableiten – wie zuvor in dieser Anmeldung als sog. „erste Zeitzone der Wahrnehmung eines akustischen Impulses” ausführlich erläutert.
Deshalb bewirkt der Laufzeitunterschied nach dem Prinzip von DE 91 01 371 wegen des Abstandes der Mikrofone zueinander – eine für die Erfassung der Richtung des Schallsignals dramatische Verfälschung.
In der in dieser Anmeldeschrift als „zweite Zeitzone der Wahrnehmung eines akustischen Impulses” beschriebenen Phase, in der die Art des Schallsignals bewertet wird, wertet das menschliche Gehör auch Pegelunterschiede zwischen dem linken und dem rechten Ohr aus.
Diese Phase des menschlichen „Hörens” wird bei der Anordnung von zwei Mikrofonen nach dem Prinzip der DE 91 01 371 dramatisch verfälscht, wenn sich die beiden Mikrofone nicht exakt gleichen und wenn sie nicht exakt in die gleiche Richtung ausgerichtet sind. Wenn überhaupt, dann ist auch schon eine Annäherung an diese Forderung sehr aufwendig und das Ergebnis trotzdem diesbezüglich nie perfekt.
Um dieses Problem wenigstens etwas zu entschärfen sind auf aktuellem Stand der Technik sog. Koinzidenzmikrofone bekannt, bei dem zwei Richtmikrofonkapseln sehr dicht beieinander in einem gemeinsamen Mikrofongehäuse angeordnet sind. Die beiden Mikrofonkapseln sind in ihrer Bezugsachse im Achsenwinkel gegeneinander verdrehbar und haben meistens veränderbare Richtcharakteristiken.
Dabei wird als prinzipieller Nachteil hingenommen, dass schon im tiefen und im mittleren Frequenzbereich relative Phasendifferenzen (Phasenunterschiede) infolge von Wegdifferenzen bei schrägem Schalleinfall zwischen beiden Mikrofonkanälen auftreten. Bei hohen Frequenzen oder bei einem sehr steilen Anstieg des Schallimpulses ist die Phasendifferenz relativ noch sehr viel größer.
Deshalb sind derartige Koinzidenzmikrofone nur für reine, monokompatible Intensitätsstereofonie verwendbar, die bei der elektrischen Addition der beiden Stereosignale zu einem Monosignal Auslöschungen oder Beeinträchtigungen von Frequenzteilen vermeidet.
Auf diesem Hintergrund hat sich die Erfindung die Aufgabe gestellt, ein Stereomikrofon zu entwickeln, dass Bewegungsimpulse und Schallwellen der umgebenden Luft in zwei elektrische Spannungen umwandelt, mit denen – nach angemessener Verstärkung – ein hochwertiger Lautsprecher – wie z. B. der Biegewellenwandler nach dem Prinzip von J. W. Manger – angesteuert werden kann und daraufhin der Umgebungsluft Bewegungsimpulse verleiht, die nicht nur als Musik und Töne empfundene Schallwellen erzeugen, sondern auch Luftbewegungen generieren, mit Hilfe derer das menschliche Gehör die Quelle der Bewegungsimpulse im dreidimensionalen Raum lokalisieren kann und die Art des Schallsignals schon zu Beginn des Einschwingvorganges beurteilen kann.
Das Ziel der Erfindung ist also ein Stereomikrofon, das Bewegungsimpulse seiner Umgebungsluft in elektrische Spannungen umsetzt, mit denen wiederum ein anderer, elektrischer Wandler so angesteuert wird, dass die von ihm erzeugten Luftbewegungen identisch zu denjenigen Luftbewegungen sind, die das erfindungsgemäße Stereospaltmikrofon bei der Aufnahme aktiviert haben. Es ist also ein wesentlicher Teil der Aufgabe der Erfindung, ein dreidimensionales räumliches Hören zu ermöglichen.
Als Lösung lehrt die Erfindung, dass die Metallplatte durch einen Spalt in eine linke Metallplatte als linke Gegenelektrode und eine rechte Metallplatte als rechte Gegenelektrode aufgeteilt ist, die elektrisch voneinander isoliert sind und je einen eigenen elektrischen Anschluss aufweisen.
Mit einem solchen, erfindungsgemäßen Mikrofon ist es möglich, diejenigen elektrischen Signale bereit zu stellen, mit denen zwei hochwertige Lautsprecher nicht nur Musik und Töne korrekt wiedergeben können, sondern dem menschlichen Ohr zusätzlich diejenigen Informationen bereit stellen, die es zu einer Lokalisierung der Quelle des Geräusches oder des Tones benötigt.
Das erfindungsgemäße 3D-Stereospaltmikrofon schließt so die Kette in der vollständigen Übertragung, Speicherung und anschließenden Wiedergabe von Geräuschen und Tönen. Wie eingangs ausführlich erläutert, nimmt das erfindungsgemäße Mikrofon auch die extrem schnellen Druckänderungen auf, die das menschliche Gehör zur Erfassung des vektoriellen Charakters von Geräuschen und Tönen ermöglicht.
Das Ergebnis ist nicht nur eine Information an den Hörer z. B. eines Orchesters, auf welcher Seite des Podiums die Pauken aufgestellt worden sind und in welchem Punkt der Bühne die Blechbläser gestanden haben, sonder auch über die Details der Schallinformationen zu Beginn eines Tones und beim Wechsel von einem Ton zu einem anderen. Nur zu Beginn eines Schallimpulses – nämlich in den ersten etwa 60 Mikrosekunden – wertet das Hörzentrum des Gehirns die empfangenen Informationen in Bezug auf die räumliche Ausrichtung der Schallbewegung aus. Nur in dieser Zeitspanne kann das Gehör den vektoriellen Charakter eines Schallbildes erfassen. Das aufgabengemäße dreidimensionale Hören wird erst mit einem erfindungsgemäßen Mikrofon möglich.
Wesentlich ist, dass ein erfindungsgemäßes Mikrofon diese aperiodischen, räumlichen Informationen aufnimmt und elektrisch wiedergibt, die auch am Beginn einer jeden neuen periodischen Schwingung stehen, also laufend und immer wieder ein wesentlicher Teil des Klangbildes sind. Durch die Erfassung dieses „dreidimensionalen Teils” ermöglicht eine erfindungsgemäßes Mikrofon die vollständige Aufnahme und Umwandlung eines kompletten Klangbildes.
Diese laufenden kleinen und sehr schnellen Änderungen eines jeden Tones – bestehend aus seinem Grundton und seinen Oberwellen – bestimmen, was oft auch als „Klangfarbe” oder „Charakter” bezeichnet wird. Nur aufgrund dieser Merkmale ist es möglich, den Klang z. B. einer Stradivari von einer anderen gewöhnlichen Geige zu unterscheiden.
Diese Eigenschaften des erfindungsgemäßen 3D-Spaltmikrofons beruhen auf dem wesentlichen Merkmal der Erfindung, nämlich dass die Metallplatte eines an sich bekannten Kondensatormikrofons durch einen Spalt in eine linke Metallplatte und eine rechte Metallplatte aufgeteilt ist. Beide Metallplatten sind elektrisch von einander isoliert, damit von jeder Metallplatte ein eigenes, elektrisches Signal zur Ansteuerung des jeweiligen Lautsprechers für die linke und für die rechte Seite abgegriffen werden kann. Beide Metallplatten haben jedoch die eine einzige Membran gemeinsam. Dadurch entstehen zwei Mikrofone, die einen bisher nicht für möglich gehaltenen, winzigen Abstand zueinander aufweisen und deren sonstige Unterschiede zueinander im Vergleich zum bisherigen Stand der Technik dramatisch reduziert sind.
Der ganz entscheidende und wesentliche Effekt der Erfindung ist, dass durch den Spalt die beiden Metallplatten und damit die beiden, direkt nebeneinander angeordneten Mikrofone auch geringste Unterschiede in der Laufzeit des Schalls bereits unterschieden und erfasst werden können. Genauso wie beim menschlichen Ohr empfangen die beiden Metallplatten genau frontal auf sie auftreffende Bewegungsimpulse ohne jeden Laufzeitunterschied – also exakt gleichzeitig.
Wegen der in der Praxis vernachlässigbaren Unterschiede zwischen den beiden Mikrofonen sind bei genau senkrecht auftreffenden Schallimpulsen die vom erfindungsgemäßen 3D Spaltmikrofone erzeugten beiden Signale genau identisch. Bei schräg auftreffenden Schallimpulsen sind die Unterschiede in der Laufzeit und im Pegel exakt erfassbar.
Die Informationen über Herkunftsort und Art sind in den ersten 30 Millisekunden eines jeden Schallsignals enthalten, unabhängig davon, ob es ein Geräusch oder ein sich ändernder Ton ist. Im Unterscheid zum bisher bekannten Stand der Technik sind diese Informationen auch in den ersten 30 Millisekunden der beiden, vom erfindungsgemäßen 3D-Stereo-Mikrofon abgegebenen, elektrischen Signale enthalten. Je kleiner der Spalt zwischen den beiden Metallplatten ist, desto geringer sind auch die Laufzeitunterschiede für Schallwellen, die nicht genau orthogonal auf die Oberfläche der beiden Metallplatten der linken und der rechten Membranhälfte auftreffen.
Deshalb ist es von Vorteil, dass die Breite des Spaltes so klein wie nur möglich ist. Damit jedoch über diesen kleinen Spalt hinweg keine elektrischen Überschläge zwischen den beiden Metallplatten erfolgen, schlägt die Erfindung als eine Ausführungsvariante vor, dass der Spalt zwischen den beiden Metallplatten durch einen elektrischen Isolator vollständig ausgefüllt wird. Dabei sollte der Werkstoff dieses Isolators eine möglichst hohe Spannungsfestigkeit haben, aber die Kapazität zwischen den beiden Kanten der Metallplatten möglichst nicht vergrößern, d. h. also keine hohe Dielektrizitätskonstante aufweisen, die die insgesamt wirksame, parasitäre Kapazität erhöht.
In der Praxis beträgt die Kapazität jeder einzelnen Hälfte der Mikrofonkapsel etwa 25–30 Picofarad. Dem gegenüber hat die parasitäre Kapazität zwischen den beiden Stirnkanten eine Größenordnung von 3–4 Picofarad, also etwa ein Zehntel der Kapazität der eigentlichen beiden Mikrofonkapseln.
Dieser Wert verursacht ein derart geringes „Übersprechen” zwischen den beiden Kanälen des erfindungsgemäßen 3D-Stereomikrofons, dass es in der Praxis keine Rolle spielt. Deshalb kann mit dem erfindungsgemäßen Mikrofon erstmals erreicht werden, dass das elektrische Signal nicht nur die Grundinformationen über die Bewegungsimpulse der umgebenden Luft enthält, sondern auch all diejenigen Informationen beim Einschwingen eines Tones, die das menschliche Gehöhr braucht, um auch die Richtung und damit den Ort sowie die Art des Schallsignals schnell und präzise bestimmen zu können.
Damit das mit möglichst hoher Güte möglich ist, ist eine geringe Breite des Spaltes sinnvoll. In einer ersten Ausführungsvariante schlägt die Erfindung eine Spaltbreite von 100 Mikrometer vor. Für noch höherwertigere, erfindungsgemäße Mikrofone wird die Breite des Spaltes auf einen Wert zwischen 40 Mikrometer und 10 Mikrometer eingegrenzt.
Eine weitere, hilfreiche Verfeinerung ist, dass der Spalt das Profil eines Kegelstumpfes hat, also an der zur Membran weisenden Seite der beiden Metallplatten deutlich schmäler ist als an ihrer gegenüberliegenden Seite.
Als eine weitere Ausführungsvariante können die beiden Metallplatten der ansonsten getrennten, beiden Mikrofonkapseln auf einem gemeinsamen Träger befestigt werden. Dadurch werden eine erhöhte mechanische Stabilität und eine erhöhte Genauigkeit für die Einstellung des Spaltes zwischen den beiden Metallplatten erreicht. Damit steigt auch die Genauigkeit des Anteiles vom elektrischen Signal, welches nach der Rückwandlung in Schallbewegungen der Luft dem menschlichen Gehör die Lokalisierung ermöglicht, also den dreidimensionalen Anteil des Hörens ausmacht. Durch ein naturgetreues „in-Form-machen” steigt also der Informationsgehalt des Schallsignals.
Als eine weitere Verbesserung schlägt die Erfindung vor, dass eine Trennwand an den Isolator im Spalt und/oder an die linke Metallplatte und/oder an die rechte Metallplatte nahe dem Spalt angrenzt sowie sich an die Mikrofonkapsel anschließt. Damit wird eine vollständige Trennung des Hohlraumes hinter den beiden Metallplatten erreicht. Die Erfindung empfiehlt, die beiden Kammern sogar Luftdicht voneinander abzugrenzen, weil dadurch jegliches Übersprechen von der „Rückseite” der Metallplatten her vermieden wird.
Dann sollte jede dieser beiden Kammern über eine kleine Bohrung mit der Außenatmosphäre verbunden werden, damit die Luft in den Kammern die Membran nicht wie eine Feder belastet und damit Luftdruckänderungen die Kammern nicht wie die Dose eines Barometers zusammendrücken oder aufblähen.
Im allgemeinsten Fall können die Metallplatten und die Membrane in einem beliebigen Winkel zueinander ausgerichtet sein. Die Erfindung bevorzugt jedoch, dass die beiden Metallplatten parallel zur Membrane ausgerichtet sind, weil dann die Fehler bei der Umwandlung des Schalldruckes in elektrische Spannungen am geringsten sind.
Eine bevorzugte Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen 3D-Spaltmikrofones weist eine Membrane mit einer extrem niedrigen Biegefestigkeit auf. Der Vorteil ist, dass die auftreffenden Schallbewegungen mit abnehmender Biegefestigkeit der Membrane immer weniger verzerrt werden. Deshalb wird für die Membrane in der Praxis eine Goldfolie mit einer Stärke von wenigen Mikrometern eine bevorzugte Variante sein.
Die Form des als Mikrofonkapsel dienenden Hohlkörpers ist prinzipiell beliebig. Für ein gutes Übertragungsverhalten bei allen Frequenzen und bei allen Steilheiten eines Impulses sind jedoch regelmäßige Formen vorteilhaft. Die Erfindung bevorzugt, dass die Mikrofonkapsel als Hohlzylinder geformt ist, dessen untere Stirnseite verschlossen ist und dessen obere Stirnseite die Öffnung ist, die von der Membrane verschlossen ist und der Querschnitt des Hohlzylinders ein Kreis ist. Da die Metallplatte gegenüber der Membrane jedoch durch einen Spalt halbiert ist, kann es unter Umständen auch sinnvoll sein, die Flächen beider Metallplatten zu einem Oval oder zu einer Ellipse zu formen.
Bei jeder Form der Mikrofonkapsel ist es von Vorteil, wenn der Spalt durch den geometrischen Mittelpunkt der Mikrofonkapsel verläuft. Damit ist der Spalt im Bereich der geringsten Biegefestigkeit der Membrane angeordnet. Dadurch kann das erfindungsgemäße Mikrofon auch noch sehr geringe Laufzeitunterschiede zwischen zwei Schallbewegungen erfassen.
Die Form des Spaltes ist im allgemeinsten Fall beliebig. Ein grader Spalt reduziert die parasitären Kapazitäten zwischen den beiden Metallplatten auf das geringste mögliche Maß.
Zwecks Erfassung auch kleinster Laufzeitunterschiede zwischen den beiden Mikrofonen des erfindungsgemäßen 3D-Spaltmikrofons ist ein möglichst kleiner Spalt zu bevorzugen, der über die gesamte Länge hinweg die gleichen Abmessungen hat. Die Reduzierung der parasitären Kapazität zwischen den beiden benachbarten Metallplatten kann jedoch die Begründung dafür sein, den Spalt nach außen hin zu verbreitern und ihm z. B. die Form einer Parabel zu geben.
Zum elektrischen Anschluss eines erfindungsgemäßen 3D-Spaltmikrofons wird vorzugsweise zwischen dem elektrischen Anschluss der Membrane und dem jeweiligen elektrischen Anschluss der linken Metallplatte und der rechten Metallplatte in Reihe je eine elektrische Energiequelle wie z. B. eine Batterie und je ein Belastungswiderstand angeschlossen und an jedem Belastungswiderstand ein elektrisches Signal abgegriffen, das erst einem Impedanzwandler und dann einem Mikrofonverstärker zugeführt wird.
Ein erfindungsgemäßes 3D-Spaltmikrofon kann in einer einfacheren Ausführungsform auch als Elektretmikrofon hergestellt werden. Der Vorteil eines Elektretmikrofons gegenüber dem Kondensatormikrofon ist, dass es statt einer externen Versorgungsspannung eine dauerhafte elektrostatische Polarisierung durch eine Elektretfolie als Kondensatorvorspannung nutzt.
Auf die der Membran gegenüberliegenden Metallplatten ist jeweils eine Elektretfolie aufgebracht, die für die Membranvorspannung sorgt. Beim „Back-Elektretmikrofon” ist das Elektret feststehend und die Membran ist eine metallbedampfte, leichtere Folie. Die Größe der Mikrofonkapsel liegt meistens zwischen zwei Millimetern und einem Zentimeter. Der Frequenzgang kann in der Praxis bei einer Ausführung als Druckempfänger – also einem Mikrofon mit Kugelcharakteristik – von 20 Hz bis 20 kHz reichen. Da wegen des Elektrets keine hohe Vorspannung für die Membran benötigt wird, reicht in der Praxis eine Spannung von etwa 1,5 V zur Versorgung des Impedanzwandlers aus.
In einer weiteren, sehr interessanten Variante ist ein erfindungsgemäßes 3D-Stereospaltmikrophon in ein Hörgerät integriert. Hier könnte es dramatische Erleichterungen insbesondere für ältere Menschen schaffen, bei denen oft eine Alterung des Gleichgewichtsorganes sowieso schon Orientierungsschwierigkeiten generiert. Für die Funktion als Hörgerät ist es eine sehr interessante Ausführungsvariante, dass ein erfindungsgemäßes 3D-Spaltmikrophon z. B. in der Vorderseite eines Brille integriert ist und damit ein genau gerichtetes Hören ermöglicht, also auch dem Hörbehinderten wieder ermöglicht, sich akustisch im Raum zu orientieren.
Eine weitere sehr interessante Anwendung eines erfindungsgemäßen 3D-Spaltmikrophons ist ein Vektormikrophon, das Schallschnelle und Schalldruck aufnimmt. Damit ist erstmals die Erfassung der Teilchenbewegung und ihrer Intensität möglich.
Im Folgenden sollen weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung anhand von Beispielen näher erläutert werden. Diese sollen die Erfindung jedoch nicht einschränken, sondern nur erläutern. Es zeigt in schematischer Darstellung:
1 Zeitlicher Verlauf des Luftdrucks an einem Messort, wenn im Abstand davon sprungartig eine dynamische Druckänderung erzeugt wird gemäß dem aktuellen Stand der Technik.
2 verschiedene zeitliche Druckverläufe bei Anwendung von Lautsprechern mit herkömmlichen, elektrodynamischen Schallwandlern gemäß dem aktuellen Stand der Technik.
3 einen Kurvenverlauf analog zur 2, jedoch bei Anwendung eines Lautsprechers mit einem Biegewellenwandler gemäß dem aktuellen Stand der Technik.
4 verschiedene Kurvenverläufe analog zu 3 bei Anwendung eines Lautsprechers mit einem Biegewellenwandler nach dem Stand der Technik an unterschiedlichen, nicht in der Wandlerachse liegenden Messorten gemäß dem aktuellen Stand der Technik.
5 Kurvenverläufe analog zu 4, jedoch bei der hälftigen Abdeckung des Biegewellenwandlers mit einem akustisch undurchlässigen Umlenkelement gemäß dem aktuellen Stand der Technik.
6 Schnitt durch ein erfindungsgemäßes 3D-Stereomikrofon
In 6 ist der Schnitt durch ein erfindungsgemäßes 3D-Stereomikrophon gezeigt. Das hier dargestellte Ausführungsbeispiel besteht aus einer hohlzylindrischen Mikrophonkapsel 1, deren Unterseite durch eine angeformte Ebene verschlossen ist. Die Mikrophonkapsel 1 weist an ihrer Oberseite die Öffnung 11 auf, die in diesem Ausführungsbeispiel von zwei umlaufenden Auskragungen umrandet wird.
Auf der unteren Auskragung in der Öffnung 11 ist die Metallplatte 3 gelagert, die die Gegenelektrode zu der Membrane 2 als erster Elektrode ist. In 6 ist das wesentliche Element der Erfindung sehr deutlich und auf den allerersten Blick zu erkennen, nämlich die Aufteilung der Metallplatte 3 durch den Spalt 4 in die Metallplatte links 3L und die Metallplatte rechts 3R. Der Übersichtlichkeit halber ist der Spalt 4 in 6 relativ sehr groß dargestellt, obwohl er in der Praxis mit einer Breite von typischerweise 10–40 Mikrometern so schmal ist, dass er bei einer maßstäblichen Darstellung in 6 nur noch als ein Strich zu identifizieren wäre.
Am obersten Rand der Öffnung 11 läuft die zweite Auskragung der Mikrophonkapsel 1 um, auf welcher die Membran 2 isoliert befestigt ist. Im Schnitt ist gut zu erkennen, dass die Membran 2 parallel zu den beiden Metallplatten 3L und 3R verläuft. Sehr gut zu erkennen ist auch, dass die Membrane 2 als erste Elektrode und die Metallplatte links 3L als linke Gegenelektrode und die Metallplatte rechts 3R als rechte Gegenelektroden jeweils zusammen mit einem Teil der Membran 2 einen Plattenkondensator bilden. Das Dielektrikum dieser beiden Plattenkondensatoren, also das Material zwischen der ersten Elektrode und der jeweiligen Gegenelektrode ist bei einem erfindungsgemäßen 3D-Stereospaltmikrophon Luft.
Die Funktion eines erfindungsgemäßen 3D-Stereospaltmikrophones ist in 6 sehr gut nachzuvollziehen. Wenn eine Schallbewegung für eine Bewegung der Luftmoleküle sorgt und sich diese Bewegung von Luftmolekül zu Luftmolekül fortpflanzt, so wird sie nach dem Ende der Laufzeit der Schallbewegung auf einen Punkt der Membran 2 eintreffen und diesen verformen. Je nach dem, ob sie im linken Bereich der Membran 2 oder im rechten Bereich der Membran 2 eintrifft, sorgt sie für eine „Einbeulung” der Membran 2. Damit sinkt auch die Kapazität zwischen der Membran 2 als erster Elektrode und den beiden Metallplatten 3L und 3R als Gegenelektrode.
In 6 ist nicht eingezeichnet, dass diese Änderung der Kapazität elektrisch abgefragt wird, indem zwischen dem elektrischen Anschluss 2E der Membran 2 und dem elektrischen Anschluss 6L der Metallplatte 3L sowie dem elektrischen Anschluss 6R der Metallplatte 3R eine Gleichspannungsquelle mit einem Belastungswiderstand in Reihe geschaltet wird. Jede Änderung der Kapazität zwischen der Membran 2 und einer der beiden Metallplatten 3L oder 3R kann dann am Belastungswiderstand als elektrische Spannung abgegriffen werden.
In 5 ist der Übersichtlichkeit halber im Spalt 4 kein zusätzlicher Werkstoff als Isolator eingezeichnet.
Dargestellt ist in 6 die Ausführungsvariante mit einer Trennwand 5, die in der hier dargestellten Ausführungsform luftdicht mit der Mikrophonkapsel 1 verbunden ist, sowie ebenfalls luftdicht mit den jeweiligen Kanten der beiden Metallplatten 3L und 3R. Dadurch entstehen zwei Kammern anstellen einer einzigen Kammer wie bei bekannten Kondensatormikrophonen.
In 6 ist eingezeichnet, dass die beiden Kammern jeweils durch eine kleine Bohrung mit der Außenluft verbunden sind, um bei Änderungen des atmosphärischen Druckes der Umgebungsluft nicht wie eine Barometerdose zusammengedrückt oder auseinander gebläht zu werden. Diese Bohrung dient ebenfalls zum Entweichen von Luft, die durch ein „Ausbeulen” der Membran 2 ansonsten komprimiert werden würde.
In 6 ist als eine Variante der Metallplatte links 3L und rechts 3R eine feine Lochung gezeigt. Durch diese Löcher entweicht das kleine Luftpolster zwischen der Membran 2 und den beiden Metallplatten links 3L und rechts 3R.
In 6 sind die elektrischen Anschlüsse 6L der Metallplatte 3L und 6R der Metallplatte 3R sowie 2E der Membrane 2 nur prinzipiell eingezeichnet.
Bezugszeichenliste

1: Mikrofonkapsel
11: Öffnung
2: Membrane
2E: elektrischer Anschluss der Membran 2
3: Metallplatte
3L: Metallplatte links
3R: Metallplatte rechts
4: Spalt
5: Trennwand
6L: elektrischer Anschluss der Metallplatte 3L
6R: elektrischer Anschluss der Metallplatte 3R

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 1815694 [0084]
DE 2236374 C3 [0084]
DE 2500397 A1 [0084]
DE 2725346 C3 [0084]
DE 102008013395 A1 [0106]
DE 9101371 [0109, 0113, 0115]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

F. Pfander ”Das Knalltrauma”, Springer 1975, Berlin [0029]
”Das Schalltrauma”, BMdV Bonn 1994 [0029]

Claims

3D-Stereospaltmikrofon zum Umwandeln von Schallbewegungen der Umgebungsluft in zwei elektrische Spannungen, bestehend aus – einer Mikrofonkapsel 1 – in der Form eines Hohlkörpers, – die eine einzige Öffnung 11 aufweist und die mit – einer Membrane 2 als Elektrode abgedeckt ist, – die aus einer flexiblen und einer elektrisch leitfähigen Folie besteht und – die elektrisch isoliert befestigt ist und die zu – einer Metallplatte 3 als Gegenelektrode beabstandet ist, – die innerhalb der Mikrofonkapsel 1 befestigt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallplatte 3 durch einen Spalt 4 in eine linke Metallplatte 3L als linke Gegenelektrode und eine rechte Metallplatte 3R als rechte Gegenelektrode aufgeteilt ist, – die elektrisch voneinander isoliert sind und – je einen eigenen elektrischen Anschluss 6L und 6R aufweisen
3D-Stereospaltmikrofon nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der linken Metallplatte 3L und der rechten Metallplatte 3R ein elektrischer Isolator eingebaut ist, der den Spalt 4 zwischen den beiden Metallplatten 3L und 3R vollständig ausfüllen kann.
3D-Stereospaltmikrofon nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite des Spaltes 4 kleiner als 100 Mikrometer ist.
3D-Stereospaltmikrofon nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite des Spaltes 4 kleiner als 40 Mikrometer und größer als 10 Mikrometer ist.
3D-Stereospaltmikrofon nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Spalt 4 zwischen den beiden Metallplatten 3L und 3R nahe der Membrane 2 schmäler ist als an der gegenüberliegenden Seite der Metallplatte 3L und 3R.
3D-Stereospaltmikrofon nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beide Metallplatten 3L und 3R auf einem gemeinsamen Träger befestigt sind
3D-Stereospaltmikrofon nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Trennwand 5 an den Isolator im Spalt 4 und/oder an die linke Metallplatte 3L und/oder an die rechte Metallplatte 3R nahe dem Spalt 4 angrenzt sowie sich an die Mikrofonkapsel 1 anschließt.
3D-Stereospaltmikrofon nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennwand 5 an ihren Kanten luftdicht verbunden ist, so dass sie die Mikrofonkapsel 1 in zwei pneumatisch voneinander getrennte Hälften aufteilt. 1L und 1R
3D-Stereospaltmikrofon nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallplatten 3R und 3L parallel zur Membrane 2 ausgerichtet sind.
3D-Stereospaltmikrofon nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran 2 eine möglichst geringe Biegefestigkeit aufweist
3D-Stereospaltmikrofon nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrofonkapsel 1 als Hohlzylinder geformt ist, dessen untere Stirnseite verschlossen ist und dessen obere Stirnseite die Öffnung 11 ist, die von der Membrane 2 verschlossen ist und der Querschnitt des Hohlzylinders – ein Kreis oder – ein Oval oder – eine Ellipse ist.
3D-Stereospaltmikrofon nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Spalt 4 durch den geometrischen Mittelpunkt der Mikrofonkapsel verläuft.
3D-Stereospaltmikrofon nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen einem elektrischen Anschluss 2E an die Membrane 2 und die beiden elektrischen Anschlüsse 6L und 6R der linken Metallplatte 3L und der rechten Metallplatte 3R in Reihe je eine elektrische Energiequelle wie z. B. eine Batterie und je ein Belastungswiderstand angeschlossen sind und an jedem Belastungswiderstand ein elektrisches Signal abgegriffen werden kann, das erst einem Impedanzwandler und dann einem Mikrofonverstärker zugeführt werden kann.
3D-Stereospaltmikrofon nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Spalt 4 zwischen den beiden Metallplatten 3L und 3R gerade verläuft und über die gesamte Länge hinweg das gleiche Profil aufweisen kann.
3D-Stereospaltmikrofon nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Spalt zwischen den beiden Metallplatten 3L und 3R sich nach außen hin vergrößert und zum Beispiel eine parabolisch geformte Kante aufweist.
3D-Stereospaltmikrofon nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf die der Membran 2 gegenüberliegenden Metallplatten 3L und 3R jeweils eine Elektretfolie aufgebracht ist, die eine Membranvorspannung bewirkt.
3D-Stereospaltmikrofon nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektretfolie räumlich feststehend ist und/oder die Membran eine metallbedampfte Folie ist.
3D-Stereospaltmikrofon nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es in ein Hörgerät integriert ist.
Anwendung eines erfindungsgemäßen 3D-Stereospaltmikrofons als Vektormikrofon, dadurch gekennzeichnet, dass es Schallschnelle und Schalldruck aufnimmt.