DE1278519B - Elektromechanischer Wandler mit einem reibungsgeregelten Kondensatormikrophon - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. CL:

H04r

Deutsche Kl.: 21 a2 - 3

Nummer: 1278 519

Aktenzeichen: P 12 78 519.2-31 (St 24202)

Anmeldetag: 30. Juli 1965

Auslegetag: 26. September 1968

Die Erfindung betrifft einen elektromechanischen Wandler. Bekannte Kondensatormikrophone zeichnen sich durch geringe Größe, einfachen Aufbau und durch eine konstante Ansprechempfindlichkeit aus. Sie sind gewöhnlich so eingerichtet, daß sie über den ganzen Bereich der Arbeitsfrequenzen bei einem bestimmten Schalldruck eine konstante Ausgangsspannung erzeugen.

Wenn ein solches Mikrophon in Verbindung mit einem Verstärker benutzt wird, dann muß der Verstärker einen hohen Eingangswiderstand haben, z. B. 100 Megohm, um zu vermeiden, daß die Baßempfindlichkeit des Wandlers zurückgeht, da der kapazitive Ausgangswiderstand des Kondensatormikrophones als elektrischer Generator nur etwa 100 pF beträgt.

Nachteile ergeben sich, wenn ein bipolarer Transistorverstärker in Verbindung mit einem Kondensatormikrophon benutzt werden soll, beispielsweise bei einem Hörverstärker für Schwerhörige, bei dem es darauf ankommt, ein kleines Gewicht und eine ao kleine Größe einzuhalten. Bipolare Transistorverstärker haben nämlich einen kleinen Eingangswiderstand (etwa 10 Kiloohm bis 100 Kiloohm), daher würde ein Kondensatormikrophon mit konstantem Ausgangspegel, das einen solchen Verstärker speist, letztlich ein Ausgangssignal erzeugen, das mit der Frequenz um 6 dB pro Oktave ansteigt. Bipolaren Transistorverstärkern kann nur auf Kosten des Anhebens des relativen Rauschpegels ein hoher Eingangswiderstand gegeben werden.

Gleiche Probleme tauchen auf, wenn man ein Kondensatormikrophon als Wandler für ein Telefon benutzen will und damit eine niederohmige Leitung speisen will.

Aus der deutschen Patentschrift 924 807 ist ein elektromechanischer Wandler bekannt, der einen geradlinigen Frequenzgang für Kugelwellen hat, der einen ansteigenden Frequenzgang für ebene Wellen hat, und bei dem höhere Frequenzen entsprechend dem Frequenzgang für Kugelwellen entzerrt werden. Um mit diesem Wandler ein Ausgangssignal konstanten Pegels zu erhalten, ist es erforderlich, einen bestimmten Abstand zwischen dem Zentrum der Kugelwellen und dem Mikrophon ständig einzuhalten. Der Wandler ist also nur für solche Aufnahmen zu gebrauchen, bei denen ein einzelnes Zentrum einer Kugelwelle vorhanden ist, außerdem ist der Abstand zum Mikrophon mit besonderen Hilfsmitteln konstant zu halten.

Aus der deutschen Auslegeschrift 1171960 ist ein Kondensatormikrophon mit wahlweise einstellbaren Richtcharakteristiken bekannt. Bei diesem Konden-Elektromechanischer Wandler mit einem
reibungsgeregelten Kondensatormikrophon

Anmelder:

International Standard Electric Corporation,

New York, N. Y. (V. St. A.)

Vertreter:

Dipl.-Ing. H. Ciaessen, Patentanwalt,

7000 Stuttgart W, Rotebühlstr. 70

Als Erfinder benannt:
William Donald Cragg,
George John Preston Barnes,
Harlow, Essex (Großbritannien)

Beanspruchte Priorität:

Großbritannien vom 11. September 1964 (37 242)

satormikrophon ist eine mechanische Einstellvorrichtung vorgesehen, die ein genau definiertes Reibungselement wirksam werden läßt. Dadurch ist es möglich, dem Mikrophon für unterschiedliche Signalquellen einen gleichen Ausgangspegelverlauf an einem nachgeschalteten Verstärker mit hohem Eingangswiderstand zu geben, jedoch kann damit nicht ein konstanter Ausgangspegel im gesamten Frequenzband an einem nachgeschalteten Verstärker mit niedrigem Eingangswiderstand erzielt werden.

Aus der deutschen Auslegeschrift 1041082 ist ebenfalls ein Kondensatormikrophon mit einstellbarer Charakteristik bekannt, das eine rückwärtige Reibungshemmung hat. Somit besitzt auch dieses Mikrophon einen Ausgangspegel mit fallendem Frequenzgang.

Aufgabe der Erfindung ist ein elektromechanischer Wandler mit einem reibungsgeregelten Kondensatormikrophon, das in Verbindung mit einem nachgeschalteten Verstärker mit niedrigem Eingangswiderstand einen konstanten Ausgangspegel im gesamten Frequenzband ergibt.

Der Wandler nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß der mit steigenden Frequenzen

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fallende Ausgangspegel des durch die Reibung gere- Frequenzbereiches liegen, etwa bei 1 kHz, es wird gelten Kondensatormikrophons den bei Kopplung also ein akustischer Widerstand von einem Wert R 2

eines Kondensators mit einem Schaltmittel mit nie- erzeugt, der fest mit der Membrane verbunden ist.

derohmigem Eingangswiderstand auftretenden Fre- Die Reibung, die Biegesteifigkeit und die Masse sind

quenzgang gerade kompensiert, so daß der Wandler 5 so abgestimmt, daß die Reibung die bestimmende

im ganzen benutzten Frequenzbereich bei konstantem Größe im benutzten Frequenzband ist, also etwa von

Schalldruck am Eingang einen hohen, konstanten 50 Hz bis 8000 Hz bei einer guten Qualität oder von

Ausgangspegel hat. Der Ausgleich des Frequenz- 300 Hz bis 3000 Hz für Fernsprechzwecke,

ganges erfolgt bei diesem Wandler ohne weitere Bei einem praktischen Beispiel kann der relative

Hilfsmittel, so daß er unabhängig von weiteren Para- io Widerstand den in Fig. 3 dargestellten Verlauf

meiern, z. B. Temperatur, Luftdruck, ist. Auch ist haben, der Einfluß der Biegesteifigkeit S1 wird am

es nicht erforderlich, einen bestimmten Abstand zwi- oberen Rand des Frequenzbandes mit dem Wider-

schen Signalquelle und Mikrophon einzuhalten. stand R 2 identisch sein. Die Schwingungsamplituden

Nachfolgend wird die Erfindung im Zusammen- der Membranen und damit auch die Ausgangssignale

hang mit den Zeichnungen erläutert. 15 werden also bei den durch die Steifigkeit oder durch

F i g. 1 zeigt im Blockschaltbild einen Wandler, die Reibung geregelten Mikrophonen bei hohen Fre-

bei dem ein Kondensatormikrophon einen Transistor- quenzen übereinstimmen, und die durch die Reibung

verstärker speist; geregelten Mikrophone werden bei niedrigen Fre-

F i g. 2 a zeigt Kennlinien bekannter Konden- quenzen empfindlicher sein.

satormikrophone; 20 Zur Ermittlung des Zusammenwirkens des Kon-F i g. 2 b zeigt die Kennlinien eines reibungsgere- densatormikrophons und eines bipolaren Transistorgelten Kondensatormikrophons; Verstärkers soll der Verstärker 7Ί nach Fig. 4a F i g. 3 zeigt zum Vergleich weitere Kennlinien der mit einer lOOfachen Verstärkung betrachtet werden, genannten Kondensatormikrophone; sein Eingangswiderstand beträgt 100 Kiloohm. Das F i g. 4 a zeigt einen Wandler gemäß der Erfindung 25 Kondensatormikrophon ist als Spannungsquelle V mit einem Kondensatormikrophon, das die Kenn- in Reihe mit einem Kondensator C1 von 100 pF darlinien nach F i g. 2 b hat; gestellt. In F i g. 5 sind die Ausgangspegel des Ver-F i g. 4 b zeigt einen bekannten Wandler mit einem stärkers bei verschiedenen Parametern dargestellt. Kondensatormikrophon, das die Kennlinien nach Die Kurve K1 gilt für ein bekanntes Mikrophon mit Fig. 2a hat; 30 konstanter Vorspannung, der Kurvenverlauf ent-F i g. 5 zeigt zum Vergleich Kennlinien der beiden steht durch das Zusammenwirken eines Kondensators Mikrophone nach F ig. 4 a und F ig. 4 b; von 100 pF mit einem Eingangswiderstand von 100 F i g. 6 zeigt einen Schnitt durch ein Kondensator- Kiloohm. Die Kurve K 3 zeigt das Ausgangssignal mikrophon, wie es bei einem Wandler nach der Er- eines Wandlers mit einem durch Reibung geregelten findung verwendet werden kann. 35 Kondensatormikrophon, so wie er in F i g. 4 a darin F i g. 1 speist ein Kondensatormikrophon Cm gestellt ist. Die Kurve K 2 zeigt das Ausgangssignal den Transistorverstärker T, der z. B. eine lOOfache eines Wandlers mit einem bekannten durch die Biege-Verstärkung hat. Wenn z. B. das Kondensatormikro- steifigkeit geregelten Mikrophon, das einen Verstärphon Cm eine Kapazität von 100 pF und der Ver- ker mit kapazitiver Rückkopplung speist, so wie er stärker T einen Eingangswiderstand (ohmisch) von 40 in F i g. 4 b dargestellt ist. Die relativen Ausgangs-100 000 Ohm hat, dann muß das Kondensatormikro- pegel können etwa die in F i g. 5 dargestellten Werte phon Cm eine bei steigenden Frequenzen um 6 dB haben, so daß der Unterschied zwischen den beiden pro Oktave fallende Ausgangsspannung abgeben, da- horizontal verlaufenden Kennlinien etwa 40 dB bemit letztlich eine lineare Ausgangsspannung erzeugt trägt, wobei das durch die Reibung geregelte Konwird. 45 densatormikrophon stets die höhere Empfindlichkeit

Bei einem mit konstanter Vorspannung betriebe- hat.

nen Kondensatormikrophon ist die Ausgangsspan- Das Rauschniveau der beiden Verstärkerschaltun-

nung bei konstantem Schalldruck über alle Frequen- gen nach Fig. 4a und 4b ist in Fig. 5 mit den

zen am Eingang konstant, wenn der akustische beiden Linien RN1 und RN 2 dargestellt, das

Eingangswiderstand durch die Biegesteifigkeit be- 5° Rauschniveau des rückgekoppelten Verstärkers liegt

stimmt ist. Die Beziehung zwischen Eingangswider- um etwa 1OdB niedriger.

stand und Ausgangssignal ist in F i g. 2 a dargestellt. So besitzt das durch die Reibung geregelte Kon-Wenn der akustische Eingangswiderstand ohne Be- densatormikrophon den Vorteil eines höheren Ausrücksichtigung der Abhängigkeit von der Biegesteifig- gangspegels und eines höheren Signal-Geräuschkeit mit der Frequenz ansteigt (und keine andere 55 Abstandes.

Voraussetzung geändert wird), dann fällt die Ampli- Der Aufbau des Kondensatormikrophons nach der tude des Ausgangssignals um 6dB pro Oktave, so Erfindung ist in Fig. 6 dargestellt, es besteht aus wie es in F ig. 2 b dargestellt ist. einer Membrane D aus einer metallisierten Plastik-Bei dem durch die Biegesteifigkeit geregelten folie, die etwa einen Millimeter vor einer isolierten Mikrophon muß der Schnittpunkt zwischen dem Ein- ⁶° Gegenelektrode E angeordnet ist, die den akustifluß der Steifigkeit und der Membranmasse am obe- sehen Widerstand in Form einer perforierten Metallren Rand des benutzten Frequenzbereiches liegen, folie, eines gesinterten, porösen Metallstückes oder in F i g. 3 ist dies durch den Schnittpunkt zwischen in Form von gesinterten, porösen, dielektrischen Teider Kurve^l und der KurveM dargestellt. In einem len bilden kann. Die letzteren wurden natürlich an durch die Reibung geregelten Mikrophon wird der ⁶5 ihrer Oberfläche metallisiert sein, um die Gegen-Schnittpunkt zwischen dem Einfluß der Steifigkeit elektrode zu bilden. Das Mikrophongehäuse F hat und der Masse, in Fig. 3 der Schnittpunkt der eine ÖffnungG, die in das Innere führt, um einen Kurve S 2 und der Kurve M, etwa in der Mitte des Druckausgleich zu schaffen. Das charakteristische

Merkmal dieser Konstruktion ist die Dimensionierung der Membrane und des akustischen Widerstandes, im gesamten Arbeitsbereich ist der akustische Widerstand größer als die Steifigkeit der Membrane, bei einem Telefon also etwa im Bereich von 300Hz bis 4000Hz. Die benötigte Vorspannung (50 V oder mehr) kann im Mikrophon durch Elektrolyten erzeugt werden, wenn es auf das Gewicht und die Größe nicht besonders ankommt, oder sie können von einer externen Quelle bezogen werden.

Die im vorstehenden genannten Beispiele stellen nur Ausführungsbeispiele dar und sind keine Beschränkung im Schutzanspruch.

Claims (8)

Patentansprüche:

1. Elektromechanischer Wandler mit einem reibungsgeregelten Kondensatormikrophon, das einen mit steigenden Frequenzen fallenden Ausgangspegel hat und das ein Schaltmittel mit niedrigem Eingangswiderstand speist, dadurch gekennzeichnet, daß der mit steigenden Frequenzen fallende Ausgangspegel (Kurve S 2 in Fig. 3) des durch die Reibung geregelten Kondensatormikrophons den bei Kopplung eines Kondensators mit einem Schaltmittel mit niederohmigem Eingangswiderstand auftretenden Frequenzgang (Kurve Kl in Fig. 5) gerade kompensiert, so daß der Wandler im ganzen benutzten Frequenzbereich bei konstantem Schalldruck am Eingang einen hohen, konstanten Ausgangspegel (Kurve £3 in Fi g. 5) hat.

2. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Schaltmittel mit niederohmigem Eingangswiderstand ein bipolarer Transistorverstärker ist.

3. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Schaltmittel mit niederohmigem Eingangswiderstand die Gabelschaltung eines Fernsprechapparates ist.

4. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kondensatormikrophon aus einer metallisierten Plastikfolie als Membrane (D in Fig. 6) und aus einer perforierten Metallfolie als Gegenelektrode (E in F i g. 6) besteht.

5. Wandler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Gegenelektrode (E) aus einem gesinterten, porösen Metallstück besteht.

6. Wandler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Gegenelektrode (E) aus einem porösen dielektrischen Material mit metallisierter Oberfläche besteht.

7. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (F) des Mikrophons in an sich bekannter Weise eine öffnung (G) für den Druckausgleich hat.

8. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorspannung für das Mikrophon durch Elektrolyten im Wandler erzeugt wird.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschrift Nr. 924 807;
deutsche Auslegeschriften Nr. 1 041 082,
960.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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