DE1082298B - Kondensatorkleinmikrophon - Google Patents

Description

DEUTSCHES

Die Wirkungsweise von Kondensatormikrophonen mit einseitiger Richtwirkung kann auf zweierlei Weise erklärt werden. Entweder nach der den physikalischen Vorgängen besser entsprechenden Darstellung mit Hilfe eines phasendrehenden Gliedes an der Rückseite der Membran oder nach dem Überlagerungsprinzip von Druckkomponente und Druckgradientenkomponente als antreibende Kräfte an der Membran. Die letztere Darstellungsweise ist, obwohl sie der physikalischen Wirkungsweise nicht ganz gerecht wird, infolge ihrer Anschaulichkeit gut zur Erklärung geeignet und wird im nachfolgenden angewendet.

Um" beim Kondensatormikrophon mit einseitiger Richtwirkung eine ausreichende Unempfindlichkeit bei Schalleinfall von 180° zu erhalten, müssen im ganzen Übertragungsbereich die Druck- und die Druckgradientenkomponenten nach Betrag gleich und nach der Phase entgegengerichtet sein.

Es sind Mikrophonkonstruktionen bekanntgeworden, die bei einem Durchmesser der Membran von etwa ^ao 3 cm gute Ergebnisse brachten. Im Bestreben, den Durchmesser der Membran zu reduzieren, um kleine Mikrophone zu schaffen, sind jedoch Schwierigkeiten aufgetreten, welche aμf folgende Erscheinungen zurückzuführen sind:

Beim Kondensatordruckempfänger ist die Empfindlichkeit des Mikrophons bei konstanter Membrandicke unabhängig vom Membrandurchmesser, solange die schädliche Kapazität vernachlässigbar und der

Kondensatorkleinmikrophon

Anmelder:
Dr. Rudolf Görike, Wien

Vertreter: Dipl.-Ing. W. Paap

und Dipl.-Ing. H. Mitscherlich, Patentanwälte,

München 22, Mariannenplatz 4

Beanspruchte Priorität:
Österreich vom 3. April 1957 und 18. März 1958

gleich groß werden. Dabei entsteht aber eine zu steile Flanke der Resonanzkurve des reibungsgehemmten Systems, deren Resonanzfrequenz in der Mitte des Übertragungsbereiches liegen soll.

In Fig. 1 sind die Frequenzkurven für 0 und 180° Schalleinfall für ein Kondensatormikrophon mit einem Durchmesser von 3,2 cm dargestellt. Die Empfindlichkeitsabnahme beträgt mindestens 12 db und

Arbeitswiderstand hinreichend groß sind. So ist z. B. 30 erreicht 25 db. Die Fig. 2 zeigt die Frequenzkurven bei halbem Membrandurchmesser die Masse der eines Kondensatormikrophons mit einem Durchmesser

von 1,8 cm für 0 und 180° Schalleinfall. Man erkennt den Abfall der Frequenzkurve im Bereich der tiefen Frequenzen für 0° und die Empfindlichkeitsabnahme branfläche auf ein Viertel ebenfalls ein Viertel ist, 35 bis 180°, die nur im mittleren Frequenzbereich hinwird die Elongation der Membran gleich sein, was reichend groß ist.

In der deutschen Patentschrift 924 325 ist ein derartig wirkendes Mikrophon beschrieben, das aus einem Membranträger und einer durch einen Luftspalt von

nimmt die Empfindlichkeit proportional mit dem 4° diesem getrennten, vorzugsweise mit einem dahinter Durchmesser ab, weil die antreibende Kraft vom befindlichen Luftraum versehenen Gegenelektrode be-Schallumweg von der Vorderseite der Membran zur steht und der Luftspalt durch eine oder mehrere als Rückseite abhängt. akustischer Reibungswiderstand wirkende Öffnungen

Eine Verkleinerung der Membran zum Zwecke der mit der Außenluft in Verbindung steht. Der den Herstellung kleiner Mikrophone, wie sie insbesondere 45 Druckgradienten bestimmende Schallumweg von der beim Fernsehen erwünscht sind, ergab Schwierig- Vorder- zur Rückseite der Membran entspricht dem keiten bei der Erfüllung der physikalischen Be- Durchmesser der Membran.

dingungen zur Erzielung einseitiger Richtwirkung. Es sind bereits Konstruktionen bekannt, welche

Bekanntlich ist das schwingende System eines Elon- diesen Übelstand zu beheben versuchen, indem um die gationsempfängers für die Schalldruckkomponente 5o Membran eine ringförmige Umwegscheibe angeordelastisch gehemmt, für die Druckgradientenkompo- net wurde, deren Durchmesser von etwa 3,2 cm eine nente reibungsgehemmt auszuführen. Wird die Mem- Vergrößerung des Druckgradienten hervorrief. Dies bran verkleinert, so· muß die Reibungshemmung so ergab jedoch eine Vergrößerung der Abmessungen des weit verringert werden, bis die beiden Komponenten Mikrophons, was nicht im Sinne der Bestrebungen

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Membran ein Viertel und für gleiche Resonanzfrequenz die Rückstellkraft ebenfalls ein Viertel. Da die antreibende Kraft infolge der Verkleinerung der Mem-

ein gleiches Verhältnis von Kapazitätsänderung zur Ruhekapazität ergibt.

Beim Kondensatordruckgradientenempfanger jedoch

lag. Man versuchte deshalb die Umwegscheibe atts glasklarem Material, z.B. Kunststoff, herzustellen.

Eine andere Konstruktion, bei welcher die Rückseite der Membran über einen akustischen Widerstand mit der Außenluft verbunden ist, verwendet als akustischen Widerstand eine Filzplatte, welche aber den Nachteil hat, daß sich ihre akustischen Eigenschaften durch Feuchtigkeitseinflüsse stark ändern.

Darüber hinaus sind noch andere Kondensatormikrophone bekanntgeworden, bei denen die Rückseite der Membran mit der Außenluft in Verbindung steht. Dier hierzu vorgesehenen Bohrungen oder Öffnungen sind aber so ausgebildet, daß sie dem Durchtritt der Schallwellen praktisch keinen Widerstand entgegensetzen, so daß bei diesen Mikrophonen keine Vergrößerung des Druckgradienten erfolgt.

Bei der Erfindung hingegen erfolgt eine Vergrößerung des Druckgradienten, wobei der Durchmesser des Mikrophons nicht merkbar zunimmt.

Versuche haben ergeben, daß eine Vergrößerung des Druckgradienten entsteht, wenn die Fläche der Umwegscheibe um die Befestigungslinie nach hinten geklappt wird und zwischen dem aus der Scheibe entstehenden Hohlzylinder und der Mantelfläche des Mikrophons ein enger ringförmiger Luftspalt gebildet wird. Dieser Luftspalt muß eine Breite aufweisen, die einerseits durch genügende Reibung die Ausbildung von stehenden Wellen verhindert, anderseits die günstigsten Bedingungen für den Schalldurchtritt ergibt.

Insbesondere betrifft die Erfindung ein Kondensatormikrophon mit bevorzugter einseitiger Richtcharakteristik, dessen Membran mit der Vorderseite dem Schallfeld ausgesetzt ist, wogegen die Rückseite über einen akustischen Widerstand beaufschlagt wird, welches Kondensatormikrophon dadurch gekennzeichnet ist, daß der akustische Widerstand als ringförmiger Kanal ausgebildet ist, dessen Dimension in radialer Richtung 0,1 bis 0,5 mm, vorzugsweise 0,3 mm, beträgt, der vorzugsweise an der Mantelfläche des Mikrophons verläuft und eine Länge in axialer Richtung aufweist die etwa dem Durchmesser der Membran entspricht.

Weitere Merkmale der Erfindung können der nun folgenden Beschreibung an Hand der Zeichnungen entnommen werden.

Die Fig. 3 bis 6 zeigen Ausführungsbeispiele der Kondensatormikrophone gemäß der Erfindung, wobei die Fig. 3, 5 und 6 vertikale Längsschnitte von drei verschiedenen Ausführungsbeispielen darstellen, während die Fig. 4 einen Querschnitt nach der Linie IV-IV der Fig. 3 zeigt.

Gemäß dem Ausführungsbeispiel nach den Fig. 3 und 4 ist die Membran 1 am Rande auf der Stirnfläche der Hülse 2 z. B. mittels Klebestoff befestigt. In geringem Abstand von der Membran 1 ist die Elektrode 3 angeordnet, welche z. B. aus einer mit Bohrungen versehenen Platte bestehen kann. Die Elektrode 3 ist in einer Hülse 4 aus Isolierstoff gehalten, welche ihrerseits in der Metallhülse 2 eingesetzt ist. Innerhalb der Hülse 4 ist ein Zylinder 5 aus Isolierstoff an Stegen 6 (Fig. 4) so gelagert, daß ein schmaler ringförmiger Spalt 7 entsteht, der lediglich durch die parallel zur Zylinderachse laufenden Stege 6 unterbrochen ist. Dadurch können die von rückwärts in den Spalt 7 eintretenden Schallwellen ungehindert in die Luftkammer 9 und von da durch die Bohrungen der Elektrode 3 an die Rückseite der Membran gelangen.

Der Ringspalt 7 kann selbstverständlich auch zwischen der äußeren Zylinder fläche, der Hülse 4 und der inneren Zylinderfläche der Metallhülse 2 geführt sein. Weiter könnte der Ringspalt 7 von seiner Membranseite nach hinten kegelig erweitert ausgebildet sein.

In Fig. 5 ist ein anderes Ausführungsbeispiel eines Kondensatormikrophons dargestellt. Die Membran 10 ist auf dem Rand der Metallhülse 11 befestigt. Die Elektrode 12 mit Hohlraum 13 ist unter Einhaltung eines zylindrischen Ringzwischenraumes 23 zwischen

ίο ihrer Außenmantelfläche und der Innenmantelfläche der Hülse 11 mittels Schraubbolzen 14 und Mutter 15 an der Isolierplatte 16, die z. B. aus Quarz bestehen kann, festgehalten. Die Quarzscheibe 16 ist mittels Ringmutter 17 innerhalb der Hülse 11 befestigt. Eine

Hülse 18 weist einen inneren Ringwulst 19 auf, der auf der Hülse 11 festsitzt, so daß ein ringförmiger Spalt 20 zwischen der Außenfläche der Hülse 11 und der Innenwand der Hülse 18 entsteht.

In der Hülse 11 sind am Umfang gleichmäßig ver-

teilte Öffnungen 21 hinter dem Ringwulst 19 vorgesehen, durch welche der bei 22 eintretende Schall nach Durchlaufen des engen ringförmigen Spalts 20 nach Fassieren der ringförmigen Kammer 23 bei 24 an die Rückseite der Membran gelangen kann, wo der enge Luftspalt zwischen der Membran 10 und der Elektrode 12 als akustischer Reibungswiderstand dient. In Fig. 6 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel wiedergegeben, an welchem die gleichen Einrichtungen wie in Fig. 5 zu erkennen sind, jedoch zusätzlich

Mittel vorgesehen sind, den Hohlraum 25 hinter der Elektrode30 unter Zwischenschaltung eines akustischen Reibungswiderstandes mit der Außenluft an der Rückseite des Mikrophons zu verbinden. Zu diesem Zwecke ist eine Scheibe 26 mit Löchern 27 und Ringansatz 28 in die Elektrode 30 eingeschraubt. Eine Scheibe 31 mit Gewindehülse 32 ist in der Haltevorrichtung 33 der Elektrode 30 schraubbar angeordnet und bildet bei 34, zwischen der Scheibe 26 und der Scheibe 31., einen Luftspalt, der als akustischer Reibungswiderstand

wirkt. Durch die Öffnung 35 können die Schallwellen von rückwärts nach Durchlaufen des akustischen Reibungswiderstandes 34 in den Hohlraum 25 und von da an die Rückseite der Membran gelangen. Durch diese zusätzliche Beaufschlagung der Rückseite der

4-5 Membran wird eine bessere Empfindlichkeitsabnahme bei 180° Schalleinfall im Bereiche der höheren Frequenz erzielt.

Die Theorie über die Wirkung der Zähigkeit in engen Rohren, in welchen die Wand der mit ihr in Berührung befindlichen Luft einen großen Widerstand entgegensetzt, besagt, daß die Zähigkeitsdämpfung die Geschwindigkeit der Schallwelle beeinflußt.

Man hat es in der Hand, durch geeignete Dimensionierung die Wirkung der ringförmigen Schallführung so zu gestalten, daß die bei Beschallung von rückwärts um das Mikrophon herumlaufende Welle an der Vorderseite der Membran nach Betrag etwa gleich groß und nach der Phase etwa entgegengesetzt der durch die ringförmige Schallführung an die Rückseite der Membran gelangenden Welle ist. Die enge Schallführung hat überdies den Vorteil, daß stehende Wellen (Pfeifenresonanzen) durch hinreichende Dämpfung an der Wandung der Schallführung vermieden werden. Die Länge der Schallführung wird zweckmäßig so gewählt, daß sie etwa der halben Wellenlänge jener Frequenz entspricht, bei der bereits eine Richtwirkung der Membran entsteht, was einer Länge etwa gleich dem Durchmesser der Membran entspricht. Die lichte Weite der ringförmigen Schallführung betrug bei einem praktischen Ausführungsbeispiel 0,03 cm und

hat noch gute Resultate geliefert, wenn die Weite zwischen 0,05 und 0,01 cm variiert wurde.

Ein nach der Fig. 6 aufgebautes Mikrophon ergab die in Fig. 7 dargestellte Frequenzkurve für 0 und 180° Schalleinfall.

Es können jedoch leichte Unregelmäßigkeiten in der Frequenzkurve bei 0° Schalleinfall auftreten, die ihre Ursache in Interferenzeffekten für kurze Wellenlängen haben. Fig. 8 zeigt eine derartige Frequenzkurve mit vorhandenen Unregelmäßigkeiten eines Kleinmikrophons nach Fig. 6. Im Frequenzbereich zwischen 4000 und 10 000 Hz ist ein Anstieg von etwa 2 db und daneben ein Einbruch von etwa 3 db festzustellen.

Um diesem Übelstand abzuhelfen, werden erfindungsgemäß in die Hülse, die den ringförmigen Kanal begrenzt, eine oder mehrere kleine Öffnungen angebracht. Somit können die Schallwellen auch durch diese Öffnungen eintreten, und es wird der Schallumweg zwischen Vorder- und Rückseite der Membran verschieden lang, so daß ein Ausgleich des Druckgradienten als antreibende Kraft erfolgt.

In Fig. 9 sind Öffnungen 36 in der Hülse 18 angebracht, die den ringförmigen Kanal 22 nach außen begrenzt. Die Anzahl, Form, Größe und Gruppierung der Öffnungen hat einen Einfluß auf die ausgleichende Wirkung, so daß man es in der Hand hat, empirisch die günstigste Wirkung zu erzielen.

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Kondensatormikrophon mit bevorzugter einseitiger Richtcharakteristik, dessen Membran mit der Vorderseite direkt dem Schallfeld ausgesetzt ist, wogegen die Rückseite über einen akustischen Widerstand beaufschlagt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der akustische Widerstand als ringförmiger Kanal ausgebildet ist, dessen Dimension in radialer Richtung 0,1 bis 0,5 mm, vorzugsweise 0,3 mm, beträgt, der vorzugsweise an der Mantelfläche des Mikrophons verläuft und eine Länge in axialer Richtung aufweist, die etwa dem Durchmesser der Membran entspricht.

2. Kondensatormikrophon nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der ringförmige Kanal (7) in die Luftkammer (9) hinter der perforierten Elektrode (3) einmündet.

3. Kondensatormikrophon nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nahe der äußeren Mantelfläche des Mikrophons der zylindrische Ringspalt (22) geführt ist, von dem über radiale Bohrungen (21) im Bereiche der Elektrode (12, 30) die Schallführung zu einem kleineren Ringspalt (23) führt, der mit dem Raum hinter der Membran (10) in Verbindung ist.

4. Kondensatormikrophon nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Schallführung über den Ringspalt (22) zusätzlich ein an eine niedere Luftkammer (25) hinter der Membran (10) angeschlossener akustischer Reibungswiderstand (34) angeordnet ist, über welchen die Rückseite der Membran mit der Außenluft an der Rückseite des Mikrophons ebenfalls in Verbindung steht.

5. Kondensatorkleinmikrophon nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in der Hülse (18), welche den ringförmigen Kanal (22) nach außen begrenzt, eine oder mehrere öffnungen (36) angeordnet sind.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschrift Nr. 884 516;
britische Patentschrift Nr. 571 870;
USA.-Patentsohrift Nr. 2 787 671.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

© 009 527/227 5.