DE1186108B - In eine Kapsel eingebautes Richtmikrofon mit einem Transistorverstaerker, insbesondere fuer Handapparate von Fernsprechstationen - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Internat. KI.: H 04 m

Deutsche KL: 21 a2-14/01

Nummer: 1186108

Aktenzeichen: A 39378 VIII a/21 a2

Anmeldetag: 5. Februar 1962

Auslegetag: 28. Januar 1965

Die Erfindung betrifft ein in eine Kapsel eingebautes Richtmikrofon mit einem Transistorverstärker, insbesondere für Handapparate von Fernsprechstationen, wobei das Mikrofon, insbesondere ein elektrodynamisches Mikrofon in Miniaturausführung, wenigstens angenähert im Mittelpunkt einer innerhalb der Kapsel sitzenden kreisförmigen Scheibe angeordnet ist, die als Montageplatte, gegebenenfalls auch als Schaltplatte für einen Transistorverstärker dient, dessen Teile um das Mikrofon herum montiert sind, wobei das Mikrofon als störschallkompensierter Gradientenempfänger ausgebildet ist, der im ebenen Schallfeld (Störschallfeld) eine nach den tiefen Frequenzen abfallende, im Kugelschallfeld (Nutzschallfeld) jedoch eine annähernd lineare Abhängigkeit der Empfindlichkeit von der Frequenz aufweist.

Diese unter dem Namen »Transistormikrofon« bekanntgewordene Einrichtung besitzt die gleichen äußeren Abmessungen wie die bisher in Fernsprechhandapparaten verwendeten Kohlemikrofone, so daß ein unmittelbarer Austausch möglich ist. Neben den den Transistormikrofonen eigenen Vorteilen, wie Verzerrungsfreiheit, große Lebensdauer usw., besitzen sie aber auch einen gewichtigen Nachteil gegenüber dem Kohlemikrofon, nämlich ihre große Empfindlichkeit gegenüber Störgeräuschen. Das Kohlemikrofon weist demgegenüber bekanntlich eine Art Reizschwelle auf, so daß akustische Signale (Schallwellen), deren Pegel einen gewissen Schwellenwert unterschreitet, vom Mikrofon nicht mehr aufgenommen werden. Dies hat zur Folge, daß Störgeräusche, deren Schalldruckpegel im allgemeinen wesentlich niedriger ist als der Nutzpegel, nicht mehr übertragen werden, da der Schwingungsmechanismus eine gewissermaßen selbsttätige Störaustastung bewirkt.

Bei den üblichen dynamischen oder magnetischen Wandlersystemen ist dies hingegen nicht der Fall und sie übertragen daher, insbesondere wenn sie eine allseitig gleiche Empfindlichkeit aufweisen, auch sehr schwache Stör- und Nebengeräusche, wodurch die Verständlichkeit der zu übertragenden Information ungünstig beeinflußt wird.

Um diese Nachteile zu verringern, wurde bereits vorgeschlagen, bei einem Mikrofon, insbesondere einem Druckgradientenempfänger, die die Empfindlichkeit beeinflussenden Entzerrungsmittel oder Eigenschaften so aufeinander abzustimmen, daß der wirksame Frequenzgang für den als Kugelwelle wirksam werdenden Nutzschall im Bereich der Kugel-Wellenwirkung frequenzunabhängig oder nahezu frequenzabhängig ausgebildet ist, wogegen der Frequenzin eine Kapsel eingebautes Richtmikrofon mit
einem Transistorverstärker, insbesondere für
Handapparate von Fernsprechstationen

Anmelder:

Akustische u. Kino-Geräte Gesellschaft m. b. H., Wien

Vertreter:

Dipl.-Ing. W. Paap, Dipl.-Ing. H. Mitscherlich
und Dipl.-Ing. K. Gunschmann, Patentanwälte,
München 22, Mariannenplatz 4

Als Erfinder benannt:

Dipl.-Ing. Bernhard Weingartner, Wien

Beanspruchte Priorität:

Österreich vom 6. Februar 1961 (A 970/61)

gang für den als ebene Welle auftretenden Störschall nach den tiefen Frequenzen hin abfällt.

Durch diese Maßnahme läßt sich bereits eine merkbare Ausschaltung von Störgeräuschen erreichen. Die Aufgabe der Erfindung ist es jedoch, noch eine weitere Verbesserung des Verhältnisses von Nutzpegel zu Störpegel zu erreichen.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß das störschallkompensierte Mikrofon ein Gradientenempfänger höherer Ordnung, vorzugsweise zweiter Ordnung ist, dem eine torusförmige Richtcharakteristik zugeordnet ist, die der Rotation einer angenähert 8-förmigen, ebenen Figur um die Mittelachse senkrecht zur Längsachse entspricht.

Gemäß einer weiteren Ausbildung der Erfindung sind zur Ausbildung der torusf örmigen Richtcharakteristik vor und hinter der Membran Koppelvolumen vorgesehen, von denen Kanäle beliebiger Form ins Freie führen, die eine solche Länge aufweisen, daß der Schallweg zu den beiden Koppelvolumen von jedem möglichen Schalleintrittspunkt wenigstens angenähert gleich lang ist und die gemeinsame Impedanz der von der Vorderseite der Membran ausgehenden Kanäle wenigstens angenähert gleich der Impedanz aller von der Rückseite der Membran ausgehenden Kanäle ist.

Aus vorstehendem ist ersichtlich, daß die Abschwächung des von entfernt liegenden Quellen her-

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rührenden Störschalles zunächst einmal durch die akustische Kompensation des Fernfeldes erfolgt. Diese Wirkung wird weiterhin durch zusätzliche Maßnahmen zu einer derartigen Ausbildung der Richtcharakteristik wesentlich unterstützt, so daß deren Hauptempfindlichkeitsachse in der Richtung zum Munde des Sprechenden zu liegen kommt.

Die Erfindung soll nun an Hand der Zeichnungen näher erläutert werden, worin

Fig. 1 eine übliche Richtcharakteristik,

F i g. 2 die Richtcharakteristik des erfindungsgemäßen Wandlers zeigt;

F i g. 3 und 4 stellen Schnitte durch zwei Ausführungsbeispiele dar,

F i g. 5 und 6 die entsprechenden Draufsichten.

Ein zur Realisierung der Erfindung geeigneter Wandler, der die erforderlichen Eigenschaften besitzt, ist der an sich bekannte, auf Schallschnelle ansprechende Empfänger, dessen Resonanzfrequenz in der Mitte des Übertragungsbereiches liegt und bei dem die Membranbewegung durch eine überwiegende Reibungshemmung bestimmt wird. Man erhält dann im ebenen Schallfeld eine proportional mit der Frequenz ansteigende, auf die Membran wirkende Kraft, so lange wenigstens, als die Abmessungen der Membran kleiner als die Wellenlänge der höchsten zu übertragenden Frequenz sind. Praktisch ergibt sich im ebenen Schallfeld, wie es das Störschallfeld infolge seiner verhältnismäßig großen Entfernung vom Schallempfänger darstellt, unterhalb einer durch den Schallumweg fixierten Grenzfrequenz ein mit 6 db/Oktave abfallender Frequenzgang der Empfindlichkeit.

Bei Besprechung eines solchen Mikrofons aus der Nähe, also in einem Kugelschallfeld, in dem die Schallenergie mit dem Quadrat des Abstandes von der Schallquelle abnimmt, überwiegt der Antrieb der Membran durch den direkten Schall. Der damit verbundene Anstieg der Druckdifferenz nach den tiefen Frequenzen hin bewirkt eine Linearisierung des Frequenzganges der Kapsel, welcher Effekt durch die als Schallwand dienende Schaltplatte für den Transistorverstärker wesentlich verbessert wird.

Eine weitere Wirkungssteigerung im Sinne einer Unterdrückung des Störschalles ergibt sich aus der erfindungsgemäßen Maßnahme, dem bisher beschriebenen Wandler eine besondere Richtcharakteristik zu erteilen. Eingehende Untersuchungen haben nämlich gezeigt, daß es nicht genügt, dem Wandler eine der üblichen Richtcharakteristiken zu geben, sondern daß diese ganz bestimmte Bedingungen erfüllen muß, damit neben der Verringerung der Empfindlichkeit auf Störschall auch ein Einbau der Kapsel in übliche Fernsprechhandapparate möglich ist.

Die räumliche Richtcharakteristik der bisher bekannten Systeme entspricht einem mit wachsender Ordnungszahl schmäler werdendem Achter, der um seine Längsachse rotiert. Für ein System erster Ordnung ergibt sich somit eine Richtcharakteristik, die durch zwei aneinander liegende Kugeln darstellbar ist (F i g. 1). Der Nachteil dieser Form der Charakteristik und auch der von Systemen höherer Ordnung liegt darin, daß in den Schnittebenen φ = konstant ein achtförmiger Verlauf der Empfindlichkeit besteht und daß in der Schnittebene z—0 auch die Empfindlichkeit theoretisch Null wird. Der Einbau einer rr.it einem solchen Wandler ausgerüsteten Kapsel in den Handapparat kann daher nicht mehr beliebig vorgenommen werden, sondern er muß so erfolgen, daß die Richtung der Hauptempfindlichkeitsachse (z-Achse) mit der Längsachse des Handapparates zusammenfällt.

Das gemäß der Erfindung vorgeschlagene System zweiten Grades mit einer Membran, das eine torusförmige Richtcharakteristik besitzt, weist diesen Nachteil nicht auf. F i g. 2 zeigt die Richtcharakteristik in räumlicher Darstellung, wobei ein Teil herausgeschnitten ist, um die Querschnittsform besser erkennen zu lassen. Man kann sich die Form durch Rotation einer entsprechend der höheren (zweiten) Ordnung des Systems schlankeren Acht um eine Achse, die senkrecht zur Längsachse verläuft und durch den Mittelpunkt geht, entstanden denken, wobei die z-Achse (F i g. 2) mit der Achse des Wandlers zusammenfällt.

Ein Wandler mit einer solchen Charakteristik zeigt im Gegensatz zu der in F i g. 1 dargestellten üblichen Form in der Richtung der z-Achse die kleinste Empfindlichkeit, wodurch die Möglichkeit der Aufnahme von Störgeräuschen aus dem Raum weiter eingeschränkt wird. Die größte Empfindlichkeit liegt in einer Ebene senkrecht zur Wandlerachse, woraus sich die Tatsache ableiten läßt, daß eine mit dem erfindungsgemäßen Wandler ausgerüstete Kapsel so wie ein Kohlemikrofon im Handapparat montiert werden kann, da ja die größte Empfindlichkeit in einer Ebene liegt, die parallel zur Längsachse des Handapparates verläuft.

Die konstruktive Ausbildung eines solchen Wandlers ist in den F i g. 3 bis 6 dargestellt. Wie F i g. 3 zeigt, bildet die kreisförmige Membran 1 mit der Tauchspule 2, die sich im Luftspalt eines Magnetsystems bewegt, das vom Schall angetriebene schwingende System. Vor und hinter der Membran befindet sich je ein gleich großes Koppelvolumen 3. An jedem dieser Hohlräume sind Schallführungskanäle angeschlossen: von der Vorderseite der Membran führt ein Kanal 4, dessen Mündung 5 genau in der Achse des Wandlersystems liegt, ins Freie. Seine Länge ist gleich der Länge des Schallweges von der Hinterseite der Membran ins Freie, und seine akustische Impedanz ist gleich der akustischen Impedanz aller zur Rückseite der Membran führenden Schallkanäle. Von der Rückseite der Membran führen wenigstens vier Schallkanäle 6 ins Freie, deren Mündungen 7 in der gleichen Ebene wie die Mündung 5 des Kanals 4 liegen. Sie bilden die Eckpunkte eines Quadrates, durch dessen Mittelpunkt die Wandlerachse durchgeht.

Die Trägerplatte 8 wird zweckmäßig aus kupferkaschiertem, isolierendem Kunststoff zur Aufnahme der gedruckten Schaltung ausgeführt. Sie trägt neben dem Wandler auch die elektrischen Schaltelemente 9, wie Transistoren, Widerstände, Kondensatoren usw. Das Gehäuse 10 mit dem Deckel 11 besitzt die gleichen normgerechten Abmessungen wie ein Kohlemikrofon.

Die akustische Funktion der Einrichtung wird an Hand der F i g. 5 beschrieben. An den einzelnen öffnungen treten die Schalldrücke P₁ bis p₅ auf. Für die Schalleinfallsrichtung senkrecht zur Ebene der öffnungen sind die Schalldrücke gleich groß und gleichphasig. Bei gleicher Länge der von den Kammern an der Vorder- und Rückseite der Membran ausgehenden Schalleitungen und bei gleicher akustischer Impedanz der bei 5 mündenden Schallführung mit den in den Öffnungen 7 endenden Schallführungen

heben sich die antreibenden Kräfte an der Membran auf, und sie bleibt in Ruhe. Bei Beschallung des Mikrofons aus den Richtungen 0 bzw. 180° ist die antreibende Kraft an der Membran proportional der Druckdifferenz zwischen Vorder- und Rückseite. Die Drücke P₁ und p₃ wirken an der Hinterseite, der Druck p₅ an der Vorderseite der Membran. Der entstehende Wandlertypus ist daher ein Gradientenmikrofon zweiten Grades. Fällt der Schall aus den Richtungen 90 bzw. 270° ein, ergibt sich in analoger :o Weise, wenn die Absolutwerte der Schalldrücke und die Abstände der Öffnungen 7 von der Mitte gleich groß sind, auch in diesem Falle ein Gradientenmikrofon zweiten Grades. Es ist leicht einzusehen, daß auch für alle dazwischenliegenden Beschallungsrichtungen eine cos²-Charakteristik entsteht. Es entsteht also als Richtcharakteristik ein bezüglich der z-Achse axial symmetrisches torusartiges Gebilde, dessen Meridianschnitt eine cos²-#-Figur ist. Die mechanische Impedanz des schwingenden Systems ist so zu wählen, daß im ebenen Schallfeld der Frequenzgang des Übertragungsmaßes mit 6 db pro Oktave nach den tiefen Frequenzen hin abfällt. Im Kugelschallfeld entsteht dann ungefähr ein ebener Frequenzgang. Für ein dynamisches Gradientenmikrofon zweiten Grades soll die mechanische Impedanz demgemäß die einer überwiegenden Masse entsprechend sein, die Eigenresonanz des schwingenden Systems ist also an das untere Ende des zu übertragenden Frequenzbandes zu legen (Massehemmung).

Statt des dynamischen Wandlersystems kann an die Membran auch ein beliebiges anderes, z. B. magnetisches, piezoelektrisches oder kapazitives System angekoppelt werden.

F i g. 4 bzw. 6 zeigen schließlich eine modifizierte Ausführungsform der Fig. 3. Es gelten die analogen Bezeichnungen. Statt vier Öffnungen 7, die zur Hinterseite der Membran führen, können auch mehrere Öffnungen vorgesehen sein. An Stelle einzelner öffnungen kann auch ein ringförmiger Kanal angebracht werden, der seinerseits wieder von rohrartigen Schalleitungen unterbrochen sein kann. Entscheidend ist, daß der Schallweg zu den Koppelvolumen vor und hinter der Membran von jedem möglichen Schalleintrittspunkt aus gleich lang ist und daß die akustische Impedanz beider Schallwege gleich ist. Zur Erzielung von Richtcharakteristiken, die von der reinen cos'²-f?-Form abweichen, kann es auch zweckmäßig sein, die Schallwege zur Vorder- und Rückseite der Membran geringfügig verschieden lang zu machen.

Claims (7)

Patentansprüche:

1. In eine Kapsel eingebautes Richtmikrofon mit einem Transistorverstärker, insbesondere für Handapparate von Fernsprechstationen, wobei das Mikrofon, insbesondere ein elektrodynamisches Mikrofon in Miniaturausführung, wenigstens angenähert im Mittelpunkt einer innerhalb der Kapsel sitzenden kreisförmigen Scheibe angeordnet ist, die als Montageplatte, gegebenenfalls auch als Schaltplatte für den Transistorverstärker dient, dessen Teile um das Mikrofon herum montiert sind, wobei das Mikrofon als störschallkompensierter Gradientenempfänger ausgebildet ist, der im ebenen Schallfeld (Störschallfeld) eine nach den tiefen Frequenzen abfallende, im Kugelschallfeld (Nutzschallfeld) jedoch eine annähernd lineare Abhängigkeit der Empfindlichkeit von der Frequenz aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß das störschallkompensierte Mikrofon ein Gradientenempfänger höherer Ordnung, vorzugsweise zweiter Ordnung ist, dem eine torusförmige Richtcharakteristik zugeordnet ist, die der Rotation einer angenähert 8-förmigen Figur um die Mittelachse senkrecht zur Längsachse entspricht.

2. In eine Kapsel eingebautes Richtmikrofon nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ausbildung der torusförmigen Richtcharakteristik vor und hinter der Membran (1) Koppelvolumen (3) vorgesehen sind, von denen Kanäle (4, 6) beliebiger Form ins Freie führen, die eine solche Länge aufweisen, daß der Schallweg zu den beiden Koppelvolumen von jedem möglichen Schalleintrittspunkt wenigstens annähernd gleich lang ist und die gemeinsame Impedanz der von der Vorderseite der Membran ausgehenden Kanäle wenigstens angenähert gleich der Impedanz aller von der Rückseite der Membran ausgehenden Kanäle ist.

3. In eine Kapsel eingebautes Richtmikrofon nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich vor und hinter der vorzugsweise kreisförmigen Membran gleich große Koppelvolumen befinden, an die gleich lange, ins Freie führende Schallführungskanäle angeschlossen sind, von denen nur einer von dem Volumen vor der Membran ausgeht, dessen akustische Impedanz der gemeinsamen Impedanz aller von der Rückseite der Membran ausgehenden Kanäle entspricht, wobei die Mündungen aller Kanäle (5, 7) in einer Ebene vor der Membran liegen und die Mündung des von der vorderen Kammer ausgehenden Kanals außerdem mit der Achse des Wandlers zusammenfällt.

4. In eine Kapsel eingebautes Richtmikrofon nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß von dem Volumen hinter der Membran wenigstens vier gleich lange Kanäle ins Freie führen, deren Mündungen vorzugsweise die Eckpunkte eines Quadrates bilden, durch dessen Mittelpunkt die Wandlerachse durchgeht.

5. In eine Kapsel eingebautes Richtmikrofon nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der von dem Volumen vor der Membran ausgehende Kanal in einem vor der Membran angeordneten Körper mäanderförmig geführt ist.

6. In eine Kapsel eingebautes Richtmikrofon nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der von dem Volumen vor der Membran ausgehende Kanal einen spiralförmigen Verlauf aufweist.

7. In eine Kapsel eingebautes Richtmikrofon nach Anspruch 1 und einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß an Stelle mehrerer Kanäle ein ringförmiger Kanal angeordnet ist.

In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschrift Nr. 912 821.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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