DE1512682A1 - Dynamisches Mikrophon mit Schwingspule - Google Patents

Description

Berlin, den 7. Februar 1967

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DYNAMISCHES MIKROPHOIT MIT SCHWIIiGSPUIi;

Die Erfindung bezieht sich auf ein dynamisches Mikrophon mit Schwingspule.

Wie bekannt, bestehen die dynamischen Mikrophone mit Schwingspule aus Membran, magnetischem Kreis und einem akustischen Netzwerk, das an .die Membran angeschlossen ist. Die Membran wird durch die an ihre Bückseite angeschlossene Schwingspule in zwei gut unterschiedliche Teile gegliedert_Λ Der eine Teil liegt innerhalb der Sohwingspule und wird Dom benannt, während der andere Teil außerhalb der Schv/ingspule liegt und als federnder Rand bezeichnet wird. An die Vorder-

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f?oi*f unr Rückseite eier Membran sind über je einen bemessenen Baum akustisch*' tlenente angeschlossen, di« das akustische Uety-ork bilder Durch die Schwingspule wird auch der ?& die KücliKifeive ü.or ^oyoraii angeschlossene Raum in zwei Teile, liäMlich in den Donraun und den an die Rückseite des federnden Randes angeschlossenen I?aua unterteilt. Im Betrieb entstehen in diosen beiden Raunen, an die voneinander verschiedene akustische Elemente angeschlossen sind, verschiedene Drüoke. Dieser Druckunterschied kann sich zwischen den beiden Räumen über einen Luftspalt nur besohränkt ausgleichen, se daß die verschiedener. Prücke eier beider Raune zum Dom und zum federnden Eetid weitergeleitet werden. Diese beiden Kräfte werden duroh die Steifheit der Membran addiert, wobei die Membran mit der angeschlossenen Schv/ingspule zum Ausführen einer resultierenderE'äwegung veranlagt r/ird.

In vielen 3'älj. en ist die Membran wegen Hangelnder Steifheit unfähig, die ivf die beiden Teile einwirkenden Kräfte zu addieren, wobei dann eine Schwingung auftritt, durch welche die ocübfertragungyüngleiohmäßig wird. Diese Erscheinung ruft vorher nicht bestimmbare Herstellungsstreuungen herbd,

Aber euch die tttbertragungyist oft durch der, an die Rückseite des federnden Randes angeschlossenen Raun unvorteilhaft beeinflußt. Dieser Raum ist nämlich annähernd geschlossen, se daß er auf die Weise .ier harten Feder wirk+;, wodurch die Eigenresonans der Membran und damit die untere Gr^r:2-e des Übertrcgungisbandes erhöht werden.

Die Erfindung bezweckt die Behebung der erwähnten Nachteile, Sie geht davon aus, daß die eingangs erwähnten Unzuläng-

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lichkeiten durch die Schaffung einer unmittelbaren Kopplung zwischen den "beiden Eäunen, die an den Randteil der gleichean zweiteiligen Membran angeschlossen sind, einfach vermieden werden können. Die Kopplung nuß dabei bezüglich der akustischen Impedanzen gewissen eriuittelten und übrigens nicht strengen Bedingungen entsprechen. Die Erfindung schlägt somit die Schaffung eines dynastischen Mikrophons uit Membran und Sohwingspule vor, bei welchem in an sich bekannter Weise -die Menbran durch die Schwingspule in einen Dora innerhalb der Schwingspule und in einen federnden Rand außerhalb der Schwingspule unterteilt ist, wo aber gemäß der Erfindung an die Vorderseite und die Rückseite des federnden Randes angrenzende Räume über einen Durchlaß miteinander gekoppelt sind, wobei die Kopplung zwischen den beiden Räumen eine resultierende akustische Impedanz Z darstellt, deren absoluter Wert, höchstens so groß ist, wie der absolute Wert der inneren Impedanz Zb des innerhalb der Schwingspule von zwei Seiten an den Dom angeschlossenen akustischen Netzwerkes, d.h.

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Während demnach die bekannten Vorrichtungen dieser Art den Druckunterschied aufzuheben trachteten, der zwischen den an die Rückseite des federnden Randes bzw. des Domes angeschlossenen Räume herrschte, wird bei der erfindungsgeiaäßen Anordnung der Druckunterschied zwischen jenen Räumen aufgehoben, der zwischen den an die Vorderseite und Rückseite des federnden Randes angeschlossenen Räumen herrscht. Diese erfindungsgemäße Kopplung der an die Vorderseite und Rückseite des federnden Randes angeschlossenen beiden Räume kann durch

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einen "beliebigen Bestandteil hindurch, erreicht werden, der diese voneinander trennt. Es ist z.B. möglich, einen die Membran festhaltenden Ring in radioler Richtung zu öffnen oder den federnden Rand durchzubrechen.

Ein Vorteil der Erfindung liegt darin, daß bei geringen Aufwand an Bestandteilen eine gut wiederholbare gleichmäßigere ?fte>übertragun^[errfalclit werden kann, Dies ißt selbst dann möglich, wenn dünnere Membranen als üblich verwendet werden. Der federnde Rand wird nämlich bei der Erfindung durch keinen Druckunterschied belastet, da die an seine Vorderseite und Rückseite angeschlossenen Räume derart fest verkoppelt sind, daß sie sich praktisch als ein einziger Raum gleiohen Druckes verhalten. Dies hat aber zur Folge, daß der federnde Rand aufhört als Druckfühler zu wirken, wobei er nur als Feder an der akustischen Betätigung teilnimmt. Als Druokfühler dient nur der Dom, der als eine ungegliederte Fläehe viel steifer ist als bei den bisherigen Anordnungen die voll wirkende Membranfläche. Gleichzeitig nimmt die Beanspruchung der Steifheit der Membran ab, weil es nicht nehr erforderlich ist, die auf die beiden Teile wirkenden zwei verschiedenen Kräfte zu addieren und die resultierende Wirkung zur Schwingspule weiterzuleiten. Auf diese Weise wird die fttbertragungTgleiclimäßiger.

Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß mit Rücksicht auf die Verringerung der Beanspruchung der Membran, verhältnismäßig dünnere Membranplatten verwendet werden können, was eine weitere vorteilhafte Änderung der Eigenschaften (Parameter) des Mikrophons zur Folge hat. Auf diese Weise weist z.B. daa

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erfin&ung&geinäße Mikrophon eine verhältnisnäßig höhere Empfindlichkeit und «in breiteres Übertregungsband attf. Auch die an den Dom und den federnden Rand gestellten Anforderungen sind wegen der erwähnten Wirkungsweise des erf indungsgenäßen Mikrophons milder, so daß die Werkstoffe unter weiteren Grenzen gowählt und der Aufbau viel freier gestaltet werden kann,

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Die Ieiibertragungfwird düron dieiTrfin-

dung ebenfalls vorteilhafter, weil der an die Rückseite des federnden Bandes angrenzende Raun über die erfindungsgenäßt vorgesehenen Kopplungsöffnungen offen ist und deshalb nicht auf die Art einer Feder wirkt, so daß auch die Resonanzfrequenz der Membran und mit ihr die untere Grenze des Über-» tragungsbandes nicht erhöht werden.

Die lineare Verzerrung kann bei Zwischenf Jifcquenzen behoben und auf diese Weise eine höhere Empfindlichkeit und bessere Gerichtetheit erreicht werden, wenn bei einem erfindungsgenäßen Mikrophon mit ringfönaigeu Luftspalt. ££r die Schwingspule in einen magnetischen Kreis mit Eisenkern und Joch der Luftspalt durch die Schwingspule in einen inneren Luftspalt zwisehen Eisenkern und Sehwingspule und einen äußeren Luftspalt zwischen Schwingspule und Joeh unterteilt ist_it wobei der absolute Wert der inneren Impedanz Zb des an den Dom von zwei Seiten angeschlossenen akustischen Netzwerkes höchstens so groß ist wie der zweifache absolute Wert der resultierenden akustischen Iupedanz Zs der ringförmigen Luftspalte, d.h,

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Ein Netzwerk, dessen innere lupedaaz geringer ist als die

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üblichen "Wert·*, iaaoht akustische Eilenente von ^erhaltnisnälBig großen Qaers^hni-bt.-eieiordeplieh» Auf diese Weise schließt sich das Netzwerk an großer Fläche an die Rückseite des Dones an. Dies hat zur Folge, daß die Beanspruchung der Steifheit; der Membran nooh mehr abnimmt, wobei das auf ditse Weine ausgebildete akustische Netzwerk die Empfindlichkeit des Mikrophons erhöht. Die resultierende akustische Impedanz Zs der beiden ringförmigen engen Spalte erscheint)* dabei in einer elektrischen Ersatzschaltung zur akustischen Impedanz der Membran parallelgeschaltet. Diese Impedanz wird deshalb in folgenden Nebenschlußimpedanz genannt.

Solange der absolute Wert der liebenschlußimpedanz holier ist als der absolute Wert der akustischen Impedanz der Menbran, werden die Übertragungskennzeichen des Mikrophons pralctiüch nicht beeinflußt. V/erden dagegen die beiden miteinander kommensurabel oder wird der absolute Wert der Nebenschlußinpedemz geringer als der absolute Wert der akustischen Impedanz der Membran, so werden wegen Frequenzabhängigkeit des Nebenschlusses eine Abnahme der Empfindlichkeit und eine lineare Verzerrung bei Zwischenfrequenzen auftreten. Eies ist oft der Fall, wobei dann der Frequenzgang wegen den auftretenden linearen Verzerrungen verschlechtert und das Mikrophon unbrauchbar werden*

Es sind dynamische Mikrophon~ bekannt, bei welchen die Schvcingspule an einen Tragkörper angebracht ist. Um nun die lineare Verzerrung bei erf indungsgemäßen Mikrophonen dieser Art zu vermeiden, kann die Nebensohlußimpedanz dadurch erhöht werden, daß der Tragkörper und der Luftspalt die Schwing-

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spul« quer aux-Eiclitung des Feldes im Luftspalt überragt, wobei die Länge 1 der Verlängerung größer ist als die halbe Höhe m/2 der Schwingspule. Der Tragkörper kann dabei als ein

oder/ gesonderter Bestandteil ausgebildet sein/mit dem federnden Rand oder dem Dom aus einem Stück bestehen. Diese Anordnung ergibt außer der Verringerung der linearen Verzerrung auch eine Zunahme der Empfindlichkeit und eine gleiohmäßigere Übertragung bei hohen Frequenzen.

Die ßichtempfindlichkeit der erfindungsgemäßen Mikrophone kann beliebig gewählt werden« Es können z.B. Kugel- w mikrophone,Ktrdioidmikrophone, Gradientmikrophone, Nahbereichmikrophone, o. dgl., hergestellt werden. Ferner gestattet die hohe Empfindlichkeit und der rerhältnismäßig einfaehe Aufbau des erfindungsgemäßen Mikrophons die Abmessungen wesentlich zu verringern, wobei die Abnahme etwa 50% erreichen kann, ohne der Gerichtetheit des Mikrophons entsagen zu müssen. Hierdurch wird bei hohen Frequenzen eine weitere Verbesserung durch Abnahme der Wirkung der Diffraktion erreicht, wodurch die Übertragung gleichmäßiger wird. Dabei hält das Mikrophon A seine bei mittleren Frequenzen gezeigte Gerichtetheit bei hohen Frequenzen besser bei als die bisher bekannten besten dynamischen Mikrophone.

Weitere Einzelheiten der Erfindung werden anhand der Zeichnung erläutert, wo zwei Ausführungsbeispiele dargestellt sind»

Fig. 1 ist dabei ein Längsschnitt durch das erste Ausführungsbeispiel .

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Fig, 2 zelgt-dl» elektrische Ersatzschaltung des Mikrophons nach 3?ig^,.JU

Fig. 3 ist der Längsschnitt.des anderen beispielsweisen dynamischen Mikrophons gemäß der Erfindung.

Pig. 3a zeigt eine vergrößerte Einzelheit der Fig. 3.' Fig. 4 ist die Ersatzschaltung des Mikrophons nach

Fig. 3.

Fig. 5 dient zur Erläuterung der inneren Impedana des akustischen Netzwerkes des Mikrophons gemäß Fig. 3 ,

Gleiche Bezugs zeichen -weisen in den Zeichnungen auf ähnliehe Einzelheiten hin.

Die beispielsweise Ausführungsform des erfindungsgemä'-ßen Mikrophons nach Fig, 1 hat eine Membran, die aus einem Dom 1 und aus einem federnden Rand 2 besteht. Diese Teile sind durch eine Schwingspule 4· gut unterschiedlich, indem der federnde Rand 2 außerhalb und der Dom 1 innerhalb der Sohwingspule liegt. An die Vorderseite des federnden Randes 2 schließt sich ein Raum 3 an, während an die Rückseite des federnden Randes 2 ein Raum 8 angrenzt» Gemäß der Erfindung sind nun diese beiden Räume 3 und 8 miteinander durch einen Durchlaß gekoppelt. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel besteht der Durchlaß aus Ausnehmungen 7 in einem Ring 6_t der zum Festhalten der Membran 1, 2 dient. Zweckmäßig werden die Ausnehmun-. gen 7 am Umfang des Ringes 6 gleichmäßig verteilt.

Der magnetische Kreis des Mikrophons besteht aus einem Eisenkern 11, einem Dauermagnet 12, einem Joch 10 und einem beim dargestellten Ausführungsbeispiel rinförmigen Luftspalt, in dem die Schwingspule 4 ihre Bewegungen ausführt. Durch die Schwing-

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spule 4 wird der Luftspalt in einen inneren Luftspalt 22 zwischen Eisenkern 11 und Schwingspule 4 bzw. einen äußeren Luftspalt 21 zwischen Schwingspule 4 und Joch 10 unterteilt, ki die Rückseite des Domes 1 grenzt dabei ein Raum 9 an, der über die ringförmigen Spalte 21 und 22 mit dem Raum 3 an der äußeren Seite des federnden Randes 2 Verbunden ist, -Di« resultierende akustische Impedanz dieser beiden ringförmigen Spalte 21 and 22 bildet die bereits erwähnte Nebensohj.ußimpedanz,

Über den Raum 9 schließt sich ein Rohr 18 an die Rückseite der Membran 1, 2 innerhalb des Domes 1 an. Das Rohr 18 ist mit dem Umgebungsraum verbunden und enthält einen Dämpfungtstoff 14, der dazu dient, die Eigenresonanz der Membran 1, 2 zu dämpfen. Mit 13 ist ein Zentrierstück bezeichnet.

Gemäß der Ersatzschaltung nach Fig, 2 bildet der induktive Widerstand Ml die akustische Masse der Membran 1, 2 nach. Die akustische Nachgiebigkeit der Membran wird durch elce Kapazität Öl vertreten, die dem federnden Rand 2 entspricht;. Zur akustischen Impedanz der Membran 1, 2 sind ein induktiver Widerstand Ms und Ohm*scher Widerstand Rs parallelgeschaltet. Diese Glieder Ms und Rs bilden die NebenschlußimpedanF, Zs. Der Rohr 18 liefert eine akustische Masse M2, Das Dämpfungsmaterial 14 liefert einen akustischen Widerstand R2. Der Raum 9 lifcJ-ert, eine akustische Nachgiebigkeit 02, Die Öffnungen 20 liefern die akustische Masse M3. Schließlich liefert der Raum 3 die akustische Nachgiebigkeit 03, Diese Größen bilden insgesamt das akustische Netzwerk, das bei den Stellen £ und b an die akustische Impedanz Ml, 01 der Membran 1, 2 angeschlossen ist» Der Schalldruck wirkt an zwei Stellen auf das Mikrophon, und .,. ... .^_r, ~⁹~ 109821/0575

die öffnungen 20 eines Schutzdeckels und andsr&eitrs über dos Rohr 13. Dies© Drücke sind im Ersatzsanaltbild gemäß Pig,, 2 mit pl und p2 bezeichnet.

Die ber.spi&lsweise Ausführungsforsi gemäß Fig, 3 stellt eic Kaidioidmikrophon dar. Hier ist die Nfebenschlußimpedanz des Mikrophons dadurch erhöht, daß die Schwingspule 4 an einen Tragkörper 5 angebracht und der Luftspalt 21, 22. verlängert ist. Das Zentrierstück 13 und der Eisenkern 11 sind nämlich derart ausgebildet, daß die ringförmigen Spalte 21 und 22 ■verlängert werden. Das Zentrierstück 13 besteht dabei aus niolitmagne tischen Material um die Feldstärke nieht zu sohwäohen. Um die kardioide Richtempfindlichkeit zu bewirken, sind an die Membran 1, 2 außer dem Rohr 18 über den Raun 9 nooh weitere tkustisohe Elemente angeschlossen. Ein Dämpfungsstoff 23 grenzt an einen geschlossenen Raun 16 an, der duroh ein Rohr 15 und eine Wand l^r/ begrenzt ist»

Aus der Ersatzschaltung gemäß Fig. 4 geht hervor, daß die akustische Impedanz der Membran l_f 2 hier ebenfalls durch die Glieder Ml und Cl gebildet ist. Die Nebenschlußimpedanz Zs, die höher ist als bein vorherigen Ausführungsbeispiel, wird durch die Glieder LIs und Rs vertreten. Dae bei den Stellen £ und b angeschlossene akustische Netzwerk ist ic Verhältnis zu >j? vorherigen beispielsweisen Au3fü> "uigsfora durch einen rkustischen Widerstand Ro, eine akustische Mass© Mo und eine akustische Nachgiebigkeit Co erweitert, die der Heine nach durch den Dämpfungsstoff 23, das Rohr If? und den geschlossenen Hohlraum 16 gebildet sind,

gestattet eine eindeutige Auslegung der inneren ,

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Impedanz des akustischen Netzwerkes. In der Abbildung wird die innere Impedanz Zb des Kardicidnikrophons geia«.ß Fig« 3 dargestellt. Die innere Iuipedanz des bei d«n Stellen a und b des elektrischen Ereatzschaltbildes angeschlossenen akustischen Netzwerkes kann durch die Sätze v.on Thevenin oder Norton bestimmt werden. Das Ergebnis ist der in der Zeichnung dargestellte Dipol.
Beispiel

Es soll ein Gradlentinikrophon gemäß Fig. 1 in Betracht gezogen werden. Im Rand desselben sind sieben Öffnungen vorhanden, deren Abmessungen jeweils 1,5 x 3 ac 2 mm betragen. Des in den Umgebungsraum führende Eohr 18 weist Abmessungen von 10 χ 20 mm auf. Die Abmessungen der Luftspalte 21 und 22 sind 15 3C 0,4 χ 1,5 ma.

Auf Grund der Formel 5,45 auf Seite 137 <les "Acoustics" von Beranek werden für die akustischen Massen folgende Werte erhalten:

M = HO kg/n⁴

M₂ = 385 kg/m⁴

M₈ = 380 kg/m⁴

Die übrigen Elemente des akustischen Netzwerkes können vernachlässigt werden, so daß

Z=M

Somit sind die Bedingungen Qftuäß der Erfindung erfüllt, weil

110 <385

1*1= IZb| _#

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AT>er auch die Bedingungen für die innere akustische Impedanss sind erfüllt, weil

3Ö5 ^ 760
d.h.

|Zb| f 2 /Zsf

' Wie ersichtlich, handelt es sich un eine Vervielfachung un «inen Faktor zwischen 2 und 5» 80 dall einem erfahrenen Fachmann ein Blick genügt, um die Erfüllung der Forderungen gemäß der Erfindung, an einem Mikrophon feststellen zu können.

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Claims (1)

ι 1.j PATENTANSPRÜCHE

1.jDynamisches Mikrophon nit Membran und Schwingspule, wobei die Membran durch die Schwingspule in einen Don innerhalb der Schwingspule und in einen federnden Rand außerhalb der Schwingspule unterteilt ist, dadurch g e k e r. η -zeichnet, daß an die Vorderseite und die Rückseite des federnden Randes (2) angrenzende Raune (3, 8) über «inen Durehlaß (7) miteinander gekoppelt sind, webei die Kopplung zwischen den beiden Räumen eine resultierende akustische Im-(^ dereii absoluter Wert höchstens so gro3 wie der absolut* V/ert der inßfcr«a Ιηυβααη*. (£fc^% .-lea iruacrhalb der SehwingepiUe. (4} von zwei Selten an den Dom (1) angeschlossenen akustisohfen Netzwerkes (3» 9» W» 18» 2Θ), d.h.

jZ| U JZb^.

2, Dynamisches Mikrophon mit ringförmigen Luftspalt für die Schwingepule in einen magnetischen Kreis nit Eisenkern und Joch, dadurch gekennzeichnet , daß der Luftspalt durch die Schwingspule (4·) in einen inneren Luftspalt (22) zwischen Eisenkern (11) und Schwingspule (4), und einen äußeren Luftspalt (21) zwischen Schwingspule (4) und Joch (10) unterteilt ist, wobei der absolute Wert der irneren Impedanz (Zb) des an den Dom (1) von zwei Seiten angeschlossenen akustischen Netzwerkes (3, 9» 14-f 181 20) höchstens so groß ist wie der zweifache absolute Wert der resultierenden akustischen Impedanz (Zs) der ringförmigen Luftspclte (21, 22), d.h.

}Zbj *k 2 , \Zsf

3, Dynamisches Mikrophon nach Anspruch 1 oder 2, bei

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■^~:· :--ne.'·. ;ia ^:-: -.^Ll-, j-puls in Lu;^:>tsprit ein*?;: ur-sne tischen .!i-:-jlsfci ^. :*-^; M-i-i '/'radkörper angebracht ist> dadurch g e k e η r ? e i 5 h ;? .» t , daß der Luftspalt (21, 22) die £'ii·-.'it^,üit,.I- v':-^' qu.c.i ^Ur Bichvaag Ü.t6 Feldes in Luftspalt übeyrasti wob^l die Läng© (1) der Verlängerung größer ist ale die iialbe Höhe (a/2) der Schwingspule (4) (Fig. 3)» d.h.

1> n/2.

4, Dynamisches Mikrophon /qrych Anspruch 31 dadurch 5 β k e η η ζ, e i c h η e t , daß der Luftspalt (21, 22)

.ulehtoagaetisches Materiel (13\ »verlagert ist (Fig. 3)

l.'iriq. VV. AWls Dipping. H. Tis'

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