DE1158116B

DE1158116B - Moving coil microphone with directional characteristic on one side

Info

Publication number: DE1158116B
Application number: DES73791A
Authority: DE
Inventors: Paul-Friedrich Warning
Original assignee: Sennheiser Electronic GmbH and Co KG
Current assignee: Sennheiser Electronic GmbH and Co KG
Priority date: 1961-05-02
Filing date: 1961-05-02
Publication date: 1963-11-28

Description

Tauchspulenmikrofon mit einseitiger Richtcharakteristik Richtmikrofone mit bevorzugt einseitiger Richtcharakteristik haben in der letzten Zeit in der praktischen Anwendung besondere Bedeutung erlangt. Eine sehr verbreitete Ausführungsform ist das Tauchspulenrichtmikrofon mit sogenannter Nierencharakteristik. Mikrofone solcher Charakteristik dienen einerseits der gleichmäßigen Erfassung räumlich ausgedehnter Schallquellen, wie z. B. der Musikdarbietung eines Orchesters. Nicht minder wichtig ist die Einseitigkeit der Richtcharakteristik aber auch in den Anwendungsfällen, bei denen es darauf ankommt, das allgemeine Raumgeräusch bereits bei der Aufnahme weitgehend zu unterdrücken. Mit solchen Mikrofonen gelingt es unschwer, z. B. den Schallpegel eines Sprechers gegenüber dem Raumgeräusch oder einem allgemeinen Umgebungslärm stark hervorzuheben; den Fall der Lautsprecherübertragung eines Vortrages kann man als Sonderfall dieser Anwendungsart ansehen. Eine besonders wichtige Ausführungsform der Richtmikrofone mit Nierencharakteristik ist das Tauchspulen-Nierenmikrofon vom sogenannten L-R-Typ. Hierzu zeigt die Abb. 1 stark schematisiert ein Ausführungsbeispiel. Die Vorderseite der Membran 1 ist dem Schallfeld mehr oder weniger direkt ausgesetzt, so daß der Raum vor ihr den vorderen Schalleinlaß V darstellt. Die gewölbte Membran 1 wird als starr angesehen und hat physikalisch die Eigenschaften einer Masse. Ihr Rand 2 stellt eine gewisse Direktionskraft dar. An den schwachen Luftraum 3 hinter der Membran ist über eine Öffnung 7 ein Reibungswiderstand 5 angekoppelt, der mit einem hinreichend groß bemessenen Volumen 6 abgeschlossen ist. In der bisher beschriebenen Form würde das Tauchspulenmikrofon ein Druckempfänger sein ohne besondere Richtcharakteristik. Es ist aber an den flachen Luftraum 3 hinter der Membran 1 zugleich noch ein Kanal 4 angeschlossen, der in die hintere Schalleinlaßöffnung H mündet. Diese Verbindung 4 zum hinteren Schalleinlaß stellt einen Luftstöpsel mit dem physikalischen Charakter einer Masse dar. Für die Ausprägung der bevorzugt einseitigen Richtcharakteristik sind in erster Linie die Dimensionierungen der Masse des Luftstöpsels 4 und des Reibungswiderstandes 5 maßgebend. Wäre der Kanal 4 nicht an das Volumen 3 hinter der Membran angeschlossen, so würde das Mikrofon im wesentlichen eine Kugelcharakteristik haben, wie bereits zuvor gesagt wurde. Wäre andererseits der kurze Kanal oder die Öffnung 7, über welche der Reibungswiderstand 5 an das Volumen 3 hinter der Membran angekoppelt ist, geschlossen, so wäre das Mikrofon ein einfacher Druckdifferenzempfänger mit der bekannten Achtercharakteristik. Bekanntlich kann man sich ja auch die Nierencharakteristik durch die Überlagerung einer Kugelcharakteristik mit einer Achtercharakteristik zustande gekommen denken. Die Abb. 1 a zeigt das der Abb. 1 entsprechende elektrische Ersatzschaltbild. Die elektrischen Ersatzelemente - sind dabei mit den gleichen Kennzeichen und Ziffern bezeichnet, wie die entsprechenden mechanischen oder akustischen Glieder in der Abb. 1. Die Wirkung der Membran ist hier also charakterisiert durch die Blindwiderstände der Induktivität 1 und der Kapazität 2. Der Federung des Luftpolsters im Volumen 3 entspricht der Kondensator 3. Die Induktivität der Spule 4 ist wesentlich größer als die der Spule 7, und der Kondensator 6 hat eine sehr große Kapazität. Der Scheinwiderstand der Serienschaltung 7 + 5 + 6 ist also wesentlich und überwiegend durch den Wirkwiderstand 5 bestimmt. Das Luftpolster hinter der Membran ist verhältnismäßig hart und die Kapazität des Kondensators 3 dementsprechend verhältnismäßig klein anzusetzen, so daß die Induktivität der Spule 4 und der Wirkwiderstand 5 die für die Richtcharakteristik in erster Linie maßgebenden Größen sind. Daher rührt auch die Bezeichnung »L-R-Typ«. Diese bekannte Anordnung hat verschiedene Nachteile, welche die Herstellung solcher Richtmikrofone erschweren. Das Ersatzschaltbild zeigt einen einzigen Knotenpunkt, was schon die praktische Erfahrung plausibel macht, daß die einzelnen Schaltelemente nicht unabhängig voneinander dimensioniert werden können.Moving coil microphone with one-sided directional characteristic Directional microphones with preferably one-sided directional characteristic have recently acquired particular importance in practical use. A very common embodiment is the moving coil directional microphone with a so-called cardioid characteristic. Microphones of this type are used on the one hand for the uniform detection of spatially extensive sound sources, such as. B. the musical performance of an orchestra. No less important is the one-sided directional characteristic but also in those applications where it is important to largely suppress the general room noise during the recording. With such microphones it is easy to achieve z. B. to emphasize the sound level of a speaker in relation to the room noise or a general ambient noise; the case of loudspeaker transmission of a lecture can be seen as a special case of this type of application. A particularly important embodiment of the directional microphones with cardioid characteristics is the moving coil cardioid microphone of the so-called LR type. For this purpose, FIG. 1 shows an exemplary embodiment in a highly schematic manner. The front side of the membrane 1 is more or less directly exposed to the sound field, so that the space in front of it represents the front sound inlet V. The domed membrane 1 is considered to be rigid and physically has the properties of a mass. Its edge 2 represents a certain directional force. A frictional resistance 5 is coupled to the weak air space 3 behind the membrane via an opening 7 and is closed with a sufficiently large volume 6. In the form described so far, the moving coil microphone would be a pressure receiver without any particular directional characteristic. At the same time, however, a channel 4 is connected to the flat air space 3 behind the membrane 1 and opens into the rear sound inlet opening H. This connection 4 to the rear sound inlet represents an air plug with the physical character of a mass. The dimensions of the mass of the air plug 4 and the frictional resistance 5 are primarily decisive for the development of the preferably one-sided directional characteristic. If the channel 4 were not connected to the volume 3 behind the membrane, the microphone would essentially have an omnidirectional characteristic, as has already been said before. If, on the other hand, the short channel or the opening 7, via which the frictional resistance 5 is coupled to the volume 3 behind the membrane, were closed, the microphone would be a simple pressure differential receiver with the known figure-of-eight characteristic. As is well known, one can also imagine the cardioid polar pattern to have come about by superimposing an omnidirectional pattern with a figure-of-eight pattern. Fig. 1 a shows the electrical equivalent circuit diagram corresponding to Fig. 1. The electrical replacement elements - are labeled with the same identifiers and numbers as the corresponding mechanical or acoustic elements in Fig. 1. The effect of the membrane is thus characterized here by the reactances of inductance 1 and capacitance 2. The suspension of the air cushion in volume 3 corresponds to the capacitor 3. The inductance of the coil 4 is significantly greater than that of the coil 7, and the capacitor 6 has a very large capacitance. The impedance of the series circuit 7 + 5 + 6 is therefore essentially and predominantly determined by the effective resistance 5. The air cushion behind the membrane is relatively hard and the capacitance of the capacitor 3 should accordingly be set relatively small, so that the inductance of the coil 4 and the effective resistance 5 are primarily decisive for the directional characteristic. This is where the name »LR type« comes from. This known arrangement has various disadvantages which make the production of such directional microphones difficult. The equivalent circuit diagram shows a single node, which makes practical experience plausible that the individual switching elements cannot be dimensioned independently of one another.

Der Nachteil dieser Anordnung ist besonders klar aus der Abb. 1 a zu erkennen. Die Phasendrehung der durch den hinteren Schalleinlaß H eintretenden Frequenzen soll als Funktion der Frequenz möglichst 90° sein, bezogen auf den Punkt, an dem die Zuleitung zum Volumen 3, dargestellt durch den Kondensator C3 beginnt. Dieser Punkt ist in der Abb. 1 a durch den Knotenpunkt symbolisiert, an welchem die Kapazitäten 2, 3 und die Induktivitäten 4, 7 miteinander zusammengeschaltet sind. Außerdem ist in Reihe mit 7 noch der Widerstand 5 und der Kondensator 6 geschaltet. Zur Größenabgrenzung der in diesem Sammelpunkt zusammengeschalteten und sich gegenseitig beeinflußenden Teile gelten folgende Grenzbetrachtungen: ai) L4 > L,7. The disadvantage of this arrangement can be seen particularly clearly from Fig. 1 a. The phase rotation of the frequencies entering through the rear sound inlet H should be as much as possible 90 ° as a function of the frequency, based on the point at which the supply line to volume 3, represented by capacitor C3, begins. This point is symbolized in Fig. 1 a by the node at which the capacitances 2, 3 and the inductances 4, 7 are interconnected. In addition, resistor 5 and capacitor 6 are connected in series with 7. To define the size of the interconnected and mutually influencing parts at this assembly point, the following limit considerations apply: ai) L4 > L, 7.

bi) Cs > C3 > C2.bi) Cs> C3> C2.

cl) R, < (L4 -f- L5) ' co . d1) Die Resonanzfrequenz soll möglichst tief liegen. Ab dieser Frequenz wird dann zusätzlich gefordert, daß Man erreicht durch die Bedingung cl) am Verbindungspunkt von RS und L7 die gewünschte Phasendrehung von etwa 90'. Sie wird dadurch auch an C3 wirksam. Dieser Zustand gilt jedoch nur so lange, wie die Bedingungen a1) und e1) erfüllt sind. Kommt mit steigender Frequenz L7 - (co > aio) in die Größenordnung von R5, ist die Bedingung e,) nicht mehr erfüllt. Dann ist an dem Knotenpunkt die 90'-Drehung nicht mehr vorhanden, weil der Wirkwiderstand R5 durch die Wirkung von L7 abgekoppelt ist. Damit entfällt die gewünschte Beeinflussung der Membran. Weiterhin kommt erschwerend hinzu, daß sich eine neue Resonanz ausbildet, welche durch folgende Bedingung gegeben ist Sie erzeugt an C3 ein sehr unerwünschtes Druckmaximum, hinter welchem bei weiter steigender Frequenz durch den nach Null kouvergierenden kapazitiven Widerstand von C3 der vom hinteren Einlaß H kommende Schall kurzgeschlossen wird. Zusammenfassend kann also gesagt werden, daß für die einwandfreie Funktion eines Wandlers nach dem Prinzip der Abb. 1 die sieben Grenzbedingungen a) bis g) berücksichtigt werden müssen, welche zudem nicht unabhängig voneinander sind. Durch die Verquickung in der Dimensionierung von C3, L4, L7, R5 und C8 werden dem Entwickler einerseits und der Fertigung andererseits so enge Grenzen gesetzt, daß bisher keine brauchbaren Mikrofone auf der L-R-Basis gefertigt und auf den Markt gebracht werden konnten.cl) R, <(L4 -f- L5) 'co. d1) The resonance frequency should be as deep as possible. From this frequency it is then additionally required that The desired phase rotation of approximately 90 'is achieved by means of the condition cl) at the connection point of RS and L7. It is also effective at C3. However, this condition only applies as long as conditions a1) and e1) are met. If, with increasing frequency, L7 - (co > aio) comes to the order of magnitude of R5, condition e,) is no longer fulfilled. Then the 90 'turn is no longer present at the node because the effective resistance R5 is decoupled by the action of L7. This eliminates the desired influencing of the membrane. A further complicating factor is that a new resonance develops, which is given by the following condition It generates a very undesirable pressure maximum at C3, behind which, as the frequency continues to rise, the sound coming from the rear inlet H is short-circuited due to the capacitive resistance of C3, which moves to zero. In summary, it can be said that for the correct function of a converter according to the principle of Fig. 1, the seven boundary conditions a) to g) must be taken into account, which are also not independent of one another. Due to the amalgamation in the dimensions of C3, L4, L7, R5 and C8, the developer on the one hand and the production on the other hand are set so narrow limits that up to now no usable microphones on the LR basis could be manufactured and brought onto the market.

Ein Ziel der Erfindung ist es, zu erreichen, daß die einzelnen Elemente eines solchen Mikrofons mit größerer gegenseitiger Unabhängigkeit voneinander dimensioniert werden können und daß insbesondere nur die Toleranzen möglichst weniger Elemente in die Qualität der erzielten Richtcharakteristik eingehen.An object of the invention is to achieve that the individual elements dimensioned such a microphone with greater mutual independence from each other and that in particular only the tolerances as few elements as possible go into the quality of the directional characteristic achieved.

Die Erfindung betrifft ein Tauchspulenmikrofon in einseitiger Richtcharakteristik, insbesondere mit Nierencharakteristik, vom sogenannten L-R-Typ, bei dem an dem Luftraum hinter der Membran einerseits ein mit akustischer Masse behafteter hinterer Schalleinlaß und andererseits ein mit einem Volumen abgeschlossener akustischer Reibungswiderstand angekoppelt sind, und erreicht die für sie charakteristischen Vorteile durch eine besondere Anordnung der Elemente. Im Gegensatz zu bekannten Anordnungen sind die beiden genannten akustischen Scheinwiderstände, akustische Masse des hinteren Schalleinlasses einerseits und mit einem Volumen abgeschlossener Reibungswiderstand andererseits, die in ihrem Zusammenwirken im wesentlichen die Einseitigkeit der Richtcharakteristik bewirken, über eine gemeinsame akustische Verbindung von vorzugsweise Massecharakter, etwa eine Bohrung oder einen Schlitz, an den Luftraum hinter der Membran angekoppelt. Nach einer Weiterbildung der eigentlichen Erfindung dient zur gemeinsamen akustischen Ankopplung sowohl des massebehafteten hinteren Schalleinlasses wie des mit einem Volumen abgeschlossenen Reibungswiderstandes der ohnehin vorhandene Luftspalt des Tauchspulensystems.The invention relates to a moving coil microphone with a unilateral directional characteristic, especially with a cardioid characteristic, of the so-called L-R type, in which at the air space behind the membrane, on the one hand, a rear sound inlet with an acoustic mass and on the other hand an acoustic frictional resistance closed with a volume are coupled, and achieves the advantages that are characteristic of them through a special arrangement of the elements. In contrast to known arrangements, the two acoustic impedances mentioned, acoustic mass of the rear sound inlet on the one hand and frictional resistance closed with a volume on the other hand, which in their interaction is essentially the one-sidedness of the directional characteristic cause, via a common acoustic connection of preferably mass character, for example a hole or a slot, coupled to the air space behind the membrane. According to a further development of the actual invention is used for common acoustic Coupling of both the massed rear sound inlet and the one with one Volume completed frictional resistance of the already existing air gap of the Moving coil system.

Zur weiteren Erläuterung zeigt die Abb. 2 die stark schematisierte Darstellung eines Ausführungsbeispieles der Erfindung. Die Abb.2a zeigt das zugehörige elektrische Ersatzschaltbild. Ein Vergleich mit den Abb. 1 und 1 a zeigt bereits deutlich den Unterschied gegenüber den bekannten Ausführungen. Der Kanal 8 ist hier der ohnehin vorhandene Ringschlitz im Magnetsystem, also der Luftspalt, in dem die Schwingspule schwingt. Unter Wirkung der Masse des Luftstöpsels 4 und des Reibungswiderstandes 5 erleidet der vom hinteren Schalleinlaß H herrührende Schallfluß eine frequenzabhängige Phasendrehung, der eine bestimmte Gruppenlaufzeit entspricht. Diese Laufzeit ist bekanntlich bestimmend für die Einseitigkeit der Richtcharakteristik.For further explanation, Fig. 2 shows the highly schematized one Representation of an embodiment of the invention. The Fig.2a shows the associated electrical equivalent circuit diagram. A comparison with Figs. 1 and 1 a already shows clearly the difference compared to the known versions. Channel 8 is here the already existing ring slot in the magnet system, i.e. the air gap in which the Voice coil oscillates. Under the action of the mass of the air plug 4 and the frictional resistance 5 the sound flow originating from the rear sound inlet H suffers a frequency-dependent one Phase rotation that corresponds to a specific group delay. This term is is known to determine the one-sidedness of the directional characteristic.

Der Punkt, an dem die Phasendrehung von 90' vorhanden sein soll und an dem die Zuleitung zum Volumen 3, dargestellt durch C3, beginnt, ist wieder der Knotenpunkt, in dein L4, L$ und R5 zusammengefaßt sind. Im Gegensatz zu dem in der Abb. 1 dargestellten Stande der Technik ist an diesem Punkt die Phasendrehung nur von der Dimensionierung von L4, R5 und C, abhängig. Es gelten also folgende Grenzbedingungen: a2) L4 > L$ ; b2) C6 > C3 > C2; c2) R5 < L4 - a).The point at which the phase shift of 90 'is to be present and at which the supply line to volume 3, represented by C3, begins, is again the node in which L4, L $ and R5 are combined. In contrast to the prior art shown in Fig. 1, the phase rotation is only dependent on the dimensioning of L4, R5 and C at this point. The following boundary conditions apply: a2) L4 > L $ ; b2) C6>C3>C2; c2) R5 < L4 - a).

d2) Die Resonanzfrequenz ist bedingt durch e2) Entfällt. Diese Grenzbedingungen zeigen zunächst, daß an dem Knotenpunkt tatsächlich eine nur von L4, Cg und R5 abhängige Phasendrehung entsteht. Unter Umständen auftretende Beeinflussungen durch C3 werden durch L8 abgekoppelt. Das ist eine sehr wesentliche Verbesserung der in der Abb. 1 a dargestellten Anordnung. Bei ihr wurden durch L7 wie beschrieben der Widerstand R5 und die Kapazität C, mit steigender Frequenz abgekoppelt, damit entfällt die Phasendrehung und als besonders unangenehm tritt die in Grenzbedingung g1) festgelegte neue Resonanzfrequenz auf. Es liegen also bei Ausführung nach Abb. 2 und 2a sehr einfache Dimensionierungsbedingungen für L4, R5 und C6 vor. Sie sind außerdem unabhängig von L$ und C3. Zusätzlich wird darauf hingewiesen, daß diese Anordnung es ermöglicht, den Ankopplungsluftstöpsel L, und die Kapazität C3 optimal aufeinander abzustimmen.d2) The resonance frequency is due to e2) Not applicable. These boundary conditions show first of all that a phase rotation that is only dependent on L4, Cg and R5 actually occurs at the node. Any influences caused by C3 are decoupled by L8. This is a very significant improvement on the arrangement shown in Fig. 1 a. With it, the resistor R5 and the capacitance C, were decoupled with increasing frequency by L7, as described, so that the phase rotation is omitted and the new resonance frequency specified in boundary condition g1) occurs as particularly unpleasant. So there are very simple dimensioning conditions for L4, R5 and C6 in the design according to Fig. 2 and 2a. They are also independent of L $ and C3. It should also be pointed out that this arrangement enables the coupling air plug L and the capacitance C3 to be optimally matched to one another.

Die Dimensionierung des Luftstöpsels im Schlitz 8 spielt für die Größe dieser Laufzeit nur eine sehr untergeordnete Rolle, so daß für die Dimensionierung dieses Schlitzes von der Richtcharakteristik her keine so zwingenden Bedingungen bestehen wie bei bekannten Ausführungsformen. Aus gleichem Grunde sind Toleranzen der Abmessungen dieses Schlitzes auch ohne praktischen Einfluß auf die Richtcharakteristik. Das Volumen 6 ist auch bei dieser Ausführung so groß dimensioniert, daß im für die Richtcharakteristik wesentlichen Frequenzbereich die Hintereinanderschaltung von Reibungswiderstand 5 und Federeigenschaft des Volumens 6 einen Scheinwiderstand von vorwiegend Reibungscharakter darstellt. Im Ersatzschaltbild der Abb. 2a entspricht dem ein sehr großer Wert der Kapazität des Kondensators 6, so daß für die die Richtcharakteristik bestimmende frequenzabhängige Phasendrehung fast ausschließlich die Induktivität der Spule 4 und der Wert des Wirkwiderstandes 5 maßgebend sind. Auch das Ersatzschaltbild der Abb. 2a zeigt sehr deutlich die entkoppelnde Wirkung der Induktivität B. Die Schaltung hat zwei Knotenpunkte, die eben durch diese Induktivität8 voneinander getrennt sind. Der Komplex 1, 2 und 3 kann weitgehend unabhängig von dem Komplex 4, 5 und 6 dimensioniert werden. Freizügigkeit in der Bestimmung der einzelnen Elemente und geringer Einfluß von unvermeidbaren Toleranzen sind wesentliche mit der Erfindung verknüpfte Vorteile. Daneben bietet die Erfindung noch die Möglichkeit, mit dem ohnehin vorhandenen Luftspalt des Magnetsystems als einziges Koppelglied zu den anderen Elementen auszukommen, so daß sich andere Anschlüsse an das Volumen der hinter der Membran erübrigen. Die Erfindung ist natürlich nicht beschränkt auf Mikrofone mit nur einem einzigen Schalleinlaß und nur einem einzigen Reibungswiderstand 5. Wenn aus anderen Gründen wünschenswert, so können ohne weiteres mehrere hintere Schalleinlässe vorhanden sein. In ihrer Wirkung kann man sie sich stets vereint vorstellen, soweit es jeweils die Bestimmung der Richtcharakteristik betrifft, und es gelten die gleichen Gesichtspunkte wie beim beschriebenen Ausführungsbeispiel und auch die Vorteile der Erfindung sind unverändert gegeben.The dimensioning of the air plug in slot 8 plays a role in the size this runtime only plays a very subordinate role, so that for the sizing The directional characteristics of this slot are not so imperative exist as in known embodiments. Tolerances are for the same reason the dimensions of this slot without any practical influence on the directional characteristic. The volume 6 is dimensioned so large in this embodiment that in the Directional characteristic essential frequency range the series connection of Frictional resistance 5 and spring property of the volume 6 an impedance of predominantly frictional character. Corresponds to Fig. 2a in the equivalent circuit diagram which a very large value of the capacitance of the capacitor 6, so that for the directional characteristic determining frequency-dependent phase shift almost exclusively the inductance of the coil 4 and the value of the effective resistance 5 are decisive. Also the equivalent circuit Fig. 2a shows very clearly the decoupling effect of the inductance B. The Circuit has two nodes that are separated by this inductance8 are separated. The complex 1, 2 and 3 can be largely independent of the complex 4, 5 and 6 can be dimensioned. Freedom of movement in determining the individual elements and low influence of unavoidable tolerances are essential with the invention linked benefits. In addition, the invention still offers the possibility with the anyway existing air gap of the magnet system as the only coupling link to the other elements get along, so that other connections to the volume of the behind the membrane. The invention is of course not limited to microphones with only a single sound inlet and only a single frictional resistance 5. If for other reasons it is desirable to have several rear ones Sound inlets are available. They can always be united in their effect present, as far as the determination of the directional characteristic is concerned, and the same considerations apply as in the exemplary embodiment described and the advantages of the invention are also unchanged.

Claims

PATENT CLAIMS: 1. Moving coil microphone with one-sided directional characteristic, especially with a cardioid characteristic, of the so-called L-R type, in the case of the airspace behind the membrane, on the one hand, a rear sound inlet with an acoustic mass and on the other hand an acoustic frictional resistance closed with a volume are coupled, characterized in that the two mentioned acoustic impedances, acoustic mass of the rear sound inlet and closed with a volume Frictional resistance, which in their interaction is essentially one-sided the directional characteristic effect over a common acoustic connection of preferably a mass character, such as a hole or a slot in the air space are coupled behind the membrane.

2. Moving coil microphone with directional characteristic on one side according to claim 1, characterized in that for common acoustic coupling both the bulk sound inlet and the one closed with a volume Frictional resistance is used by the air gap of the moving coil system that is already present. Documents considered: German Patent No. 955 247; Austrian Patent documents No. 196 462, 186 687, 186 689, 186 691, 190 988, 164 714, 164 220, 163 967; U.S. Patent No. 2,086,649.