DE1714870U

DE1714870U - CONDENSER MICROPHONE.

Info

Publication number: DE1714870U
Application number: DEA5328U
Authority: DE
Original assignee: AKG Akustische und Kino Geraete GmbH
Current assignee: AKG Acoustics GmbH
Priority date: 1953-04-30
Filing date: 1954-03-17
Publication date: 1956-01-12
Also published as: AT180313B

Description

Patentanwalt
g. WALTER PAAP λ Patent attorney
G. WALTER PAAP λ

MÜNCHEM 22 - 3 - //MUNICH 22 - 3 - //

Mariannenplatz4 ΟΠίΟΐ/Mariannenplatz4 ΟΠίΟΐ /

Gm A 5328/21a Gm YAl j 334Gm A 5328 / 21a Gm YAl j 334

Akustische und Kino-Acoustic and cinema

Geräte GmbH. Beschreibu η eDevices GmbH. Description

Die Neuerung betrifft ein Kondensatormikrophon, an dessen mit Durchgangslöchern und beiderseitig mit Sacklöchern versehenen Elektrodenkörper beiderseits Membranen vorgesehen sind. Solche Mikrophone zeichnen sich durch hohe übertragungsgüte aus und ermöglichen infolge ihrer geringen Abmessungen in verhältnismäßig einfacher Weise die Bildung verschiedener Richtcharakteristiken. Schaltet man z. B. ein als Schalldruckempfänger wirkendes Kondensatormikrophon mit einem als Druckgradientenempfänger wirkenden Kondensatormikrophon mit 8-förmiger Richtcharakteristik elektrisch so zusammen, daß ihre Anteile regelbar sind, so kann jede Richtcharakteristik zwischen Kugel, Niere und Achterform hergestellt werden. Um diese Regelbarkeit auch bei höheren Frequenzen zu erzielen, ist es notwendig, daß sowohl die Abmessungen der einzelnen Mikrophone als auch ihr gegenseitiger Abstand kleiner als die Hälfte der kürzesten Wellenlänge des 0bertragungsbereiches ist. Diese Bedingung ist für einen weiteren Frequenzbereich, wie z. B. 50 bis 16.000 und mehr Hz nur schwer erfüllbar. Bs wurde daher an Stelle getrennter Systeme ein einziges verwendet, das sowohl auf den Schalldruck als auch auf den Schalldruckgradienten anspricht.The innovation concerns a condenser microphone, one with through holes and on both sides with blind holes provided electrode body on both sides membranes are provided. Such microphones are characterized by high transmission quality and enable them as a result small dimensions in a relatively simple way the formation of different directional characteristics. Switches one z. B. a condenser microphone acting as a sound pressure receiver with a condenser microphone acting as a pressure gradient receiver with an 8-shaped directional characteristic electrically together in such a way that their proportions can be regulated, each directional characteristic can be between Ball, cardioid and figure-of-eight are made. In order to achieve this controllability also at higher frequencies, is it is necessary that both the dimensions of the individual microphones and their mutual distance smaller than half of the shortest wavelength of the transmission range is. This condition is for a wider frequency range, such as. B. 50 to 16,000 and more Hz difficult to achieve. Bs was therefore used in place of separate systems, a single system that has both the sound pressure as well as the sound pressure gradient appeals to.

Wird ein solches Mikrophon mit einem elektrischen Netzwerk verbunden, das gestattet, sowohl die Gleichspannungen zwischen Membrane und fester Elektrode beliebig einzustellen, als auch die bei der Membranbewegung entstehenden Wechselspannungen an das Gitter einer Röhre zu leiten, so entsteht das bekannte Kondensatormikrophon mit elektrisch einstellbarer Kugel-, Nieren- und achterförmiger Richtc harakt e r is t ik.If such a microphone is connected to an electrical network that allows both the DC voltages between the membrane and the fixed electrode as required, as well as those arising from the membrane movement Conducting alternating voltages to the grid of a tube creates the well-known condenser microphone with electrical Adjustable spherical, kidney-shaped and figure-eight directional characte r is t ics.

Es hat sich nun gezeigt, daß bei einem solchen Mikrophon bei der elektrischen Steuerung der Richtcharakteristik zwangsläufig eine störende Änderung des Frequenzganges in der Schallhaupte inf ausrichtung verbunden ist. Bs kann daher ein solches Kondensatormikrophon ohne Lautstärkeänderung während des Betriebes nicht umgesteuert werden, da jeder Richtcharakteristik für eine bestimmte Frequenz eine andere Empfindlichkeit entspricht.It has now been shown that in the electrical control of the directional characteristic in such a microphone inevitably a disturbing change in the frequency response in the Schallhaupte inf alignment is connected. Bs Therefore, such a condenser microphone cannot be reversed during operation without changing the volume, since each directional characteristic for a certain frequency corresponds to a different sensitivity.

Zweck der Neuerung ist es nun, diese Nachteile zu beseitigen und ein Kondensatormikrophon mit einer praktisch frequenzunabhängigen und gleichen Empfindlichkeit für jede Richtcharakteristik zu schaffen, so daß eine Umschaltung während des Betriebes ohne Änderung der Empfindlichkeit und oJine besonderen Aufwand erfolgen kann. Dies wird neuerungsgemäß dadurch erreicht, daß im Zuge der Durchgangslocher ein akustischer Reibungswiderstand vorgesehen ist.The purpose of the innovation is now to eliminate these disadvantages and a condenser microphone with a practical frequency independent and same sensitivity for each To create directional characteristics, so that switching during operation without changing the sensitivity and oJine special effort can be made. This will be according to the novelty achieved in that in the course of the through holes a acoustic frictional resistance is provided.

Weitere Merkmale der Neuerung betreffen die Ausbildung des akustischen Reibungswiderstandes und die Vorsehung einer Fernsteuerung für das Kondensatormikrophon.Further features of the innovation concern the formation of the acoustic frictional resistance and the provision a remote control for the condenser microphone.

In den Zeichnungen ist eine bekannte Ausführungsform eines Kondensatormikrophones und dessen Frequenzgang einem Ausfuhrungsbeispiel eines neuerungsgemäßen Kondensatormikrophone s mit dessen Frequenzgang gegenübergestellt und zwar zeigt Fig* 1 ein bekanntes Mikrophon im Querschnitt» Fig. 2 den Frequenzgang eines Kondensatormikrophones nach Fig. 1, Fig. 3 ein Detail des Querschnittes nach Fig. 1, Fig. 4 ein neuerungsgemäßes Kondensatormikrophon, Fig. 5 dessen äquivalentes Schaltbild» Fig. 6 dessen Frequenzgang.In the drawings is a known embodiment of a condenser microphone and its frequency response an exemplary embodiment of a condenser microphone according to the innovation s compared with its frequency response, namely Fig. 1 shows a known microphone in cross section »Fig. 2 the frequency response of a condenser microphone according to Fig. 1, 3 shows a detail of the cross section according to FIG. 1, FIG. 4 shows a condenser microphone according to the invention, FIG. 5 shows its equivalent circuit diagram »Fig. 6 its frequency response.

In Fig. 1 ist mit 1 eine kreisförmige Elektrode bezeichnet, an deren beiden Seiten die Membranen 2 und 3 in geringem Abstand von ihr angeordnet sind. Die Elektrode 1 weist eine Anzahl Durchgangslöcher 4 und Sacklöcher 5 an beiden Seiten auf. Die Membranen 2 und 3 und die feste Elektrode 1, bzw. zumindest ihre Oberfläche, sind elektrisch leitend, so daß sich infolge der isolierten Aufspannung der Membranen mittels der Isolierringe 6 zwischen den Membranen und der festen Elektrode zwei elektrische Kapazitäten bilden.In Fig. 1, 1 designates a circular electrode, on both sides of which the membranes 2 and 3 in a small distance from it are arranged. The electrode 1 has a number of through holes 4 and blind holes 5 on both Pages up. The membranes 2 and 3 and the fixed electrode 1, or at least their surface, are electrically conductive, see above that as a result of the isolated tensioning of the membranes by means of the insulating rings 6 between the membranes and the fixed electrode form two electrical capacities.

Ih Fig. 2 sind auf der Ordinate die Empfindlichkeit in Dezibel (db) und auf der Abszisse die Frequenzen in Hertz (Hz) aufgetragen. Die Kurve a zeigt den Frequenzgang für kugelförmige Richtcharakteristik und verläuft nahezu horizontal. Die Kurve b zeigt den Frequenzgang für nierenförmige Richtcharakteristik und weist zwischen den Frequenzen 30 und 4000 Hz einen Anstieg von b db auf. lsi Falle der achterförmigen Richtcharakteristik ist der Anstieg zwischen diesen beiden Frequenzen noch größer und beträgt gemäß Kurve c 15 db.In Fig. 2, the ordinate is the sensitivity in decibels (db) and the frequencies in Hertz (Hz) on the abscissa. Curve a shows the frequency response for spherical directional characteristic and runs almost horizontally. Curve b shows the frequency response for kidney-shaped Directional characteristic and shows an increase of b db between the frequencies 30 and 4000 Hz. lsi case of the figure-eight Directional characteristic, the increase between these two frequencies is even greater and, according to curve c, is 15 db.

Die Ursache hieflir wird an Hand der Fig. 3 erläutert. Die Membran 7 befindet sich danach in geringem Abstand und zwar etwa 4Ow. vor der Elektrode 8· Die hier dargestellten Größenverhältnisse bezüglich Membranabstand und Durchmesser der Löcher entsprechen den wirklichen Größenverhältnissen. Die Durchgangslöcher besitzen einen Durchmesser von etwa 0,7 mm, die Sacklöcher etwa 1 mm bei 4mm Tiefe. Die Membranhemraung eines solchen Mikrophons hängt bekanntlich von der Reibung der Luft zwischen Membran und Elektrode und von der Rückstellkraft der Luft in den Sacklöchern ab.The cause for this is explained with reference to FIG. The membrane 7 is then at a small distance, namely about 40w. in front of the electrode 8 · The ones shown here The proportions of the membrane spacing and the diameter of the holes correspond to the actual proportions. The through holes have a diameter of about 0.7 mm, the blind holes about 1 mm at 4 mm depth. the Membrane suspension of such a microphone is known to depend on the friction of the air between the membrane and the electrode and the restoring force of the air in the blind holes.

Zur Erzielung einer frequenzunabhängigen Empfindlichkeit muß bekanntlich für die Druckgradientenkomponente als antreibende Kraft vorwiegend Reibungshemmung und für die Druckkomponente elastische Hemmung gefordert werden, wobei das Oberlagerungsprinzip für die antreibenden Kräfte gilt. Die Membranen sind mit einer solchen Vorspannung befestigt, daß ihre Eigenschwingung bei etwa 800 Hz liegt. IUr den Druckgradienten, der eine parallele Verschiebung der beiden Membranen unter Mitnahme der in den Durchgangslöchern befindlichen Luft hervorruft, ist der Reibungswiderstand in den beiden flachen Luftpolstern zwischen den beiden Membranen und der festen Elektrode wirksam, so daß durch Änderung des Membranabstandes der Reibungswiderstand stark beeinflußt und damit die Höhe und Steilheit der Resonanzkurve regelbar ist.To achieve a frequency-independent sensitivity, it is known that the pressure gradient component as a driving force mainly friction inhibition and for the Pressure component elastic inhibition are required, whereby the superimposition principle applies to the driving forces. The membranes are attached with such a pretension that their natural oscillation is around 800 Hz. IUr the pressure gradient, the parallel displacement of the two membranes while taking along those located in the through holes Causes air, is the frictional resistance in the two flat air cushions between the two membranes and the Fixed electrode effective, so that the frictional resistance is strongly influenced by changing the membrane spacing and thus the height and steepness of the resonance curve can be regulated.

IUr die Druckkomponente, die eine Gegeneinanderbewegung der beiden Membranen als Kompression bzw. Entspannung der zwischen ihnen eingeschlossenen Luft hervorruft, ist die Membranhemmung vorwiegend elastisch. Auch hier wirkt der Reibungswiderstand in den flachen Luftpolstern in der Umgebung der Sacklöcher als erwünschte Dämpfung.IUr the pressure component that is moving against each other of the two membranes as compression or relaxation of the air trapped between them causes, is the Membrane escapement predominantly elastic. Here, too, the frictional resistance acts in the flat air cushions in the area the blind holes as the desired damping.

Es werden somit bei einer Änderung des Membranabstandes die Dämpfung der Resonanzkurve der Druckgradientenkomponente als auch der Druckkomponente geändert.Thus, when the membrane spacing changes, the damping of the resonance curve of the pressure gradient component is reduced as well as the printing component.

Der Membranabstand ergibt sich nun durch die geforderte Rückstellkraft der Membrane bei elastischer Vorspannung für eine Resonanzfrequenz von etwa 800 Hz und für eine bestimmte Größe der zwischen Membrane und Elektrode liegenden Gleichspannung, welch letztere im Interesse einer möglichst hohen Empfindlichkeit des Mikrophones einerseits und andererseits aus Gründen der Sicherheit bei ungefähr 60 V liegt. Ss ergibt sich dabei ein Membranabstand von 40It₁ also hinreichend, um im praktischen Betrieb eine Berührung der festen Elektrode du rch die Membrane infolge elektrostatischer Anziehung mit Sicherheit auszuschließen. Damit ist aber auch der akustische Reibungswiderstand in seiner Größe gegeben. Sr erweist sich aber in diesem lalle als zu klein, so daß die von ihm hauptsächlich beeinflußte Frequenzkurve der 8-förmigen Richtcharakteristik nach Fig. 2 den dort widergegebenen ungünstigen Verlauf aufweist, so daß sich bei Umschalten von einer Richtcharakteristik auf die andere beim Betrieb störende Lautstärke- und Klangfarbe-Unterschiede ergeben müssen.The diaphragm spacing results from the required restoring force of the diaphragm with elastic bias for a resonance frequency of around 800 Hz and for a certain size of the DC voltage between the diaphragm and the electrode, the latter in the interest of the highest possible sensitivity of the microphone on the one hand and for reasons of the Safety is around 60V. This results in a membrane distance of 40It _1, which is sufficient to reliably rule out contact with the fixed electrode by the membrane in practical operation as a result of electrostatic attraction. But this also gives the acoustic frictional resistance in its size. Sr proves to be too small in this case, so that the frequency curve of the 8-shaped directional characteristic according to FIG - and there must be differences in timbre.

In Fig. 4 ist die mit 11 bezeichnete Membran mit dem Haltering 12 auf den Isolierring 13 mittels Schraube 14 festgehalten. Statt durch Schrauben festgehalten, kann die Membran auch angeklebt sein. Innerhalb des Isolierringes 13 befindet sich eine feste Elektrodenhälfte 15, die zahlreiche Bohrungen 16 aufweist und in die eine mit Bohrungen 18 ver-In FIG. 4, the membrane labeled 11 with the retaining ring 12 is on the insulating ring 13 by means of a screw 14 held. Instead of being held in place by screws, the membrane can also be glued on. Inside the insulating ring 13 there is a fixed electrode half 15, which has numerous bores 16 and in which one with bores 18 is

sehenaPlatte 17 so eingesetzt bzw. eingeschraubt ist, daß eine flache Luft kammer 32 zwischen der Elektrodenhälfte 16 und der Platte 17 gebildet wird. Sine Schraube 20 ist in den Isolierring 13 eingeschraubt, so daß ihr Snde gegen die Elektrodenhälfte 15 drückt. Eine weitere Schraube 14 bzweine durch diese festgeklemmte Lötfahne 21 bildet einen elastischen Kontakt mit der Membran dieser Anordnung. Eine zu dieser Anordnung gleiche und symmetrische ist unter Zwischenschaltung eines Distanzringes 22 mit der ersteren zu einer Einheit verbunden. Es ergeben sich dabei folgende Bezugszeichen für die einzelnen Teile: Membran 23» Haltering 24, Isolierring 25t Elektrodenhälfte 27 mit Bohrungen 28, Platte 29 mit Bohrungen 30, Luftkammer 3I, Kontaktschraube 26 mit Lötfahne 33· Von der Symmetrie weichen nur die Platten 17 und 29 insoweit ab, als ihre Bohrungen 18 bzw. 30 gegeneinander versetzt sind·See plate 17 is inserted or screwed in such a way that a flat air chamber 32 between the electrode half 16 and the plate 17 is formed. Its screw 20 is in the Insulating ring 13 screwed in, so that your sin against the Electrode half 15 presses. Another screw 14 or two by this clamped soldering lug 21 forms an elastic contact with the membrane of this arrangement. One the same and symmetrical to this arrangement is with the interposition of a spacer ring 22 with the former connected to one unit. The following reference numerals result for the individual parts: Membrane 23 »retaining ring 24, Insulating ring 25t electrode half 27 with holes 28, plate 29 with holes 30, air chamber 3I, contact screw 26 with Solder lug 33 · Only the plates 17 and 29 deviate from the symmetry insofar as their bores 18 and 30 respectively are offset

In Fig. 5 ist das elektrische Ersatzschaltbild zu dem Mikrophon nach Fig· 4 dargestellt, wonach die Membran die Masse M und M-, und die durch die elastische Vorspannung gegebenen Rückstellkräfte D und D₁ aufweisen. Mit R und R₁ sind die akustischen Reibungswiderstände an den Lochrändern in den flachen Luftpolstern zwischen den Membranen und den Elektrodenhälften bezeichnet« Die RUckstellkräfte der Luftkammern 19 und 31 sind mit D₂ und D, bezeichnet. Der die beiden Systeme miteinander verbindende akustische Reibungswiderstand, der durch den engen Spalt zwischen den Platten 17 und 29 in der Symmetrie-Ebene des Mikrophons gebildet ist, ist mit R₂ bezeichnet und ist durch Austausch des Distanz-FIG. 5 shows the electrical equivalent circuit diagram for the microphone according to FIG. 4, according to which the membrane has the masses M and M and the restoring forces D and D ₁ given by the elastic prestress. R and R ₁ denote the acoustic frictional resistances at the hole edges in the flat air cushions between the membranes and the electrode halves. The restoring forces of the air chambers 19 and 31 are _{denoted by D 2} and D 1. The acoustic frictional resistance connecting the two systems, which is formed by the narrow gap between the plates 17 and 29 in the plane of symmetry of the microphone, is _{denoted by R 2} and is obtained by replacing the distance

ringes 22 oder auf eine andere zweckmäßige Weise optimal einstellbar. Dieser Zusatzwiderstand kann aber auch durch eine entsprechende Textileinlage in einem entsprechend weiteren Raum zwischen den beiden Platten 17 und 29 walisiert werden. Die an den Membranen eingreifenden Kräfte sind durch die elektromotorischen Kräfte SMK bzw. EMK₁ bezeichnet.ring 22 or optimally adjustable in some other suitable manner. This additional resistance can, however, also be formed by a corresponding textile insert in a correspondingly wider space between the two plates 17 and 29. The forces acting on the membranes are identified by the electromotive forces SMK or EMK ₁ .

Bin praktisch ausgeführtes Mikrophon der vorliegenden Konstruktion hatte folgende Dimensionen:A practically executed microphone of the present construction had the following dimensions:

Zwei Membranen aus thermoplastischem Kunststoff von 1OH Dicke mit einem Durchmesser von 24 mm und einer Eigenschwingung infolge elastischer Vorspannung von etwa 800 Hz waren vorgesehen. Der Abstand der Membranen von den festen Elektrodenhälften betrug je 40Ii.. Ih den Elektrodenhälften waren 78 Bohrungen von 1 mm Durchmesser, in den Platten je 48 Bohrungen desselben Durchmessers vorgesehen. Die flachen Luftkammern zwischen den festen Elektroden und den Platten hatten eine Höhe von 0,2 mm. Es wurden nun Abstandsringe verschiedener Stärke eingelegt, bis sich bei allen Richtcharakteristiken Frequenzunabhängigkeit ergibt. Ss hat sich dabei herausgestellt, daß die Größe des Zusatzwiderstandes äußerst kritisch ist. So ergeben kleine Abweichungen von nur 3 - 5f*» von dem günstigsten Abstand der Platten 17 und 29 bereite ungünstige Resultate. Im Mittel betrug ihr Abstand etwa 50 K· Wird er zu groß gewählt, dann entsteht der in Fig. 2 dargestellte Frequenzgang, so daß die Auslöschung bei 180° bei einer Nierencharakteristik unzureichend ist. Bei zu geringem Abstand der Platten ist die EmpfindlichkeitTwo membranes made of thermoplastic material of 1OH thickness with a diameter of 24 mm and one Natural oscillation as a result of elastic pre-tensioning of around 800 Hz were provided. The distance between the membranes and the solid electrode halves was 40Ii .. Ih each of the electrode halves 78 holes with a diameter of 1 mm were provided, in each of the plates 48 holes of the same diameter were provided. The flat ones Air chambers between the fixed electrodes and the plates were 0.2 mm high. There were now spacer rings different strengths are inserted until there is frequency independence for all directional characteristics. Ss has It was found that the size of the additional resistance is extremely critical. This results in small deviations from only 3 - 5f * »from the most favorable distance between the plates 17 and 29 produce unfavorable results. Their mean distance was about 50 K · If it is chosen too large, the in Fig. 2 shown frequency response, so that the cancellation at 180 ° with a cardioid pattern is insufficient. If the distance between the plates is too small, the sensitivity

bei 8-förmiger Richtcharakteristik geringer als bei kugelförmiger; die Kurve ihres Frequenzganges verläuft daher unter derselben. Ss ist daher die Auslöschung durch das Vor» herrschen der Kugelcharakteristik bei 180° zur Erzielung einer Nierencharakteristik ebenfalls ungenügend.with an 8-shaped directional characteristic less than with a spherical one; the curve of its frequency response therefore runs below the same. Ss is therefore the extinction through the before » the omnidirectional characteristic at 180 ° is also insufficient to achieve a cardioid characteristic.

Fig. 6 zeigt den erzielten horizontalen und übereinstimmenden Verlauf der Kurven der Kugel- (d), Nieren- (e) und 8-förmigen (f) Richtcharakteristik für optimale Einstellung des Zusatzwiderstandes·Fig. 6 shows the horizontal and match achieved Course of the curves of the spherical (d), cardioid (e) and 8-shaped (f) directional characteristics for optimal setting of the additional resistance

Die Forderung nach größtmöglicher Symmetrie für die beiden Hälften des Mikrophons hat sich im Interesse der Frequenzunabhängigkeit der Empfindlichkeit als notwendig erwiesen. Geringfügige Unterschiede von nur yf> der Kapazität bzw. des schwingungstechnischen mechanischen Verhältnisses der beiden zusammenzufügenden Systeme hatten sich nämlich schon störend bemerkbar gemacht.The requirement for the greatest possible symmetry for the two halves of the microphone has proven to be necessary in the interest of frequency independence of the sensitivity. Insignificant differences of only yf> the capacity or the mechanical vibration-related relationship of the two systems to be joined had already become noticeable in a disturbing manner.

Es werden daher für den Zusammenbau Systemhälften nach der Fertigung ausgewählt» die möglichst gleich elektrostatische und schwingungsmechanische Eigenschaften aufweisen.For this reason, system halves are selected for assembly after manufacture »which are as electrostatic as possible and have vibration-mechanical properties.

Claims

Patent attorney -ing. WALTER PAAP ή /} MÜNCHEN 22 Al 'Mariannen platz 4 Utility model A 5328 / 21a Gm Akustische und Kino-Geräte Ges.m.b.H. in Vienna / Austria "condenser microphone" protection claims:

1. Condenser microphone, one with through holes and electrode bodies with blind holes on both sides are provided with membranes on both sides, characterized in that an acoustic frictional resistance is provided in the course of the through holes.

2. Condenser microphone according to claim 1, characterized in that the acoustic frictional resistance through cross-sectional constrictions in the course of the through holes is formed.

3 · condenser microphone according to one of claims 1 or 2, characterized in that the electrode body preferably along its cross-sectional plane of symmetry in two Electrode halves is divided and the acoustic frictional resistance is provided in this division plane.

4. condenser microphone according to claim 3> characterized in that the through holes in the two electrode halves are offset from one another and via a gap running along the dividing plane between the two Electrode halves are connected to each other, which gap acts as a frictional resistance.

5. condenser microphone according to one of claims 1 to 3, characterized in that a along the Partition plane between the two electrodes running space is provided, which is used as a frictional resistance acting, sound-absorbing material, such as textiles, etc. is filled and over which the through holes of the two Electrode halves are in communication with one another.

6. condenser microphone according to claim 5, characterized in that each electrode half in one actual perforated electrode facing the membrane and a flat air chamber between itself and the former enclosing, also perforated plate, the holes after the union of the electrode halves facing plates are offset from one another and between these plates a frictional resistance serving gap is created.

7. condenser microphone according to one of claims 1 to 5 »characterized in that the two Electrostatic halves of the microphone should match if possible and have vibration-mechanical properties.