DE2008914A1

DE2008914A1 - Rohrrichtmikrophon

Info

Publication number: DE2008914A1
Application number: DE19702008914
Authority: DE
Inventors: Robert Dr. Wien Scheiber
Original assignee: Vockenhuber, Karl, Ing.; Hauser, Raimund, DDr.; Wien
Priority date: 1969-03-04
Filing date: 1970-02-26
Publication date: 1970-09-10
Also published as: NL7002947A; AT284927B; US3657490A

Description

3. Weiter Jackisch _Pr/_Ku AU« ,.

Stuttgart N. Menzelstraß· 40 AdIl

Ing. Karl Vockenhuber , 1100 Wien, Pötzleinsdorferstraße 118 · ΓβΟ. J970

DDr. Raimund Ilauser, 1040 Wien, Goldegg-Gasse 2.

Rohrrichtmikrophon

Die Erfindung betrifft ein Rohrrichtmikrophon mit längs des Rohres in Abständen angeordneten Schalleinlaßöffnungen, welche akustische, voi*zugsweise als gedämpfte Feder-Massestöpsel-Sj'steme ausgebildete Impedanzglieder aufweisen, wobei die Richtwirkung aus der Interferenz der durch die Schalleinlaßoffnungen in das Rohr eintretenden Wellen resultiert und die Grenzfrequenzen nach einer Richtung zunehmen.

. Bei Rohrrichtmikrophonen läuft bei Beschallung von vorne die Welle innerhalb und außerhalb des Rohres weitgehend in Phase ; die bei den einzelnen Schalleinlaßoffnungen eintretenden Anteile addieren sich. Bei Beschallung von hinten sind die Wellen innerhalb und außerhalb des Rohres gegenläufig, es kommt zur Interferenz, die teilweise zur vollständigen Auslö'schung führt. Die Richtwirkung der Rohrrichtmikrophone hängt stark vom Verhältnis ab, worin L die Rohrlänge und Λ die Wellenlänge des Schalles bezeichnen. Bei einem Verhältnis ^L-- kleiner als ein Viertel, nähert sich die Richtcharakte-

ristik des Mikrophons einer Kugelcharakteristik, während sich für hohe Frequenzen sehr stark ausgeprägte Richtwirkungen ergeben. Man hat gelegentlich versucht, die Richtwirkung von Rohrrichtmikrophonen dadurch zu verbessern, daß man die Rohre entsprechend verlängert hat; so sind Richtrohre mit einer Länge von mehreren Metern bekanntgeworden, welche wohl hervorragende Richtcharakteristiken zeigen, jedoch von Ausnahmefällen abgesehen, in der Praxis nicht vei-wertbar waren. Um die starke Frequenzabhängigkeit der Richtrohre zu vermeiden» hat man schon vorgeschlagen, längs des Rohrmantels

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einzelne diskrete SchalleinlaLöifnungcn anzuordnen und diesen akustischen Tiefpässe vorzuschaltcn. Diese Tiefpässe weisen längs des Rohres abnehmende Grenzfrequonzen auf, so daß die wirksame Länge des Richtrohres in einem bestimmten Frequenzbereich mit steigender Frequenz abnimmt. Gemäß einem anderen bekannten Vorschlag soll,inn die Baulänge herabzusetzen, das Richtrohr als eine akustische Leitung ausgebildet sein, die für Frequenzen, deren Wellenlänge gröber als die mechanische Länge des Rohres ist, eine mit fallender Frequenz zunehmende Laufzeit aufweist. Bei der bekannten Konstruktion erfolgt der Schalleinlaß durch einen sich über die ganze Rohrlänge erstreckenden Schlitz, der gegebenenfalls unterschiedliche Breite aufweisen kann. Der Schalleinlaßschlitz ist " mit einem dämpfenden Gewebebelag versehen, der als akustischer Widerstand wirkt. Bei

dieser Ausführung erfolgt somit die Phasendrehung durch ein Zusammenwirken des Wirkwiderstandes der Schlitzbelegung mit dem akustischen Leiter. Dadurch erhalten nur die Rohrenden eine verstärkte Phasendrehung und eine verstärkte Empfindlichkeit.

Ein Nachteil der beiden bekannten Rohrrichtmikrophone ist die relativ geringe Richtwirkung der einen, sowie die noch immer beträchtliche Frequenzabhängigkeit der Richtcharakteristiken und noch immer große Baulänge der anderen. Erfindungsgemäß werden die Mangel der bekannten Lösungen dadurch vermieden, dafc die Impedanzglieder so abgestimmt und längs des Richtrohres verteilt sind, daß die wirksame Rohrlänge in zwei Abschnitte geringer Empfindlichkeit und entgegengesetzter Phasenverschiebung von etwa

Φ

2 und einem zwischen diesen Abschnitten liegenden Bereich hoher Empfindlichkeit ohne Phasenverschiebung geteilt ist, wobei zur Verkürzung der wirksamen Rohrlänge mit steigender Frequenz die Inipedanzglieder mit wachsendem Abstand von der Mikrophonkapsel auf tiefere Frequenzen abgestimmt sind. Das erfindungsgemäße Rohrrichtmikrophon ergibt bei sehr kurzer Baulänge eine ausgezeichnete, in einem sehr gi'oßen Frequenzbereich weitgehende frequenzunabhängige Richtcharakteristik, welche durch die günstige Phasen- und Empfindlichkeitsverteilung über die wirksame Rohrlänge sowie deren frequenzabhängige Verkürzung bewirkt \vi rd.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die in das Richtrohr einmündenden Massestöpsel-Systeme bildende Schalleinlaßkanäle nach außen in an sich bekann-

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ter Weise mit einem akustischen Wirkwiderstand z.B. mit einem Gewebe-oder Filzbelag, abgeschlossen. Die als Masscstöpsel-Systeme dienenden Einlaßkanäle erreichen für tiefere Frequenzen eine Länge von mehreren cm. Um zu befriedigenden konstruktiven Lösungen zu gelangen, werden die Schalleinlaßkanäle vorzugsweise als Umwegleitungen ausgebildet.

Es ist schon vorgeschlagen worden, das dem Rohrrichtmikrophon zugrunge liegende Interferenzprinzip mit dem Gradientenprinzip zu kombinieren, um günstigere Baulängen zu erreichen, bzw. die Richtwirkung des Mikrophons zu verbessern. Iliebei wird das Interferenzprinzip erst für höhere Frequenzen wirksam, während für tiefere Frequenzen die Wirkung des Mikrophons auf dem Gradientenprinzip beniht. Diese Richtsysleme ergeben Baulängen der Rieht rohre um 50 cm, haben aber den Nachteil, daß die häufig auftretenden tiefen Störfrequenzen entsprechend der geringen Richtwirkung von Gradientenrichtmikroplumen ( Nieren, Supernieren und 8 Charakteristiken ) nicht im entsprechenden Ausmaß gedämpft werden.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist in an sich bekannter Weise mindestens ein weiteres auf diese Mikrophonkapsel wirkendes und vorzugsweise gleichartig aufgebautes Richtelement vorgesehen, wobei gegebenenfalls ein Richtrohr auf die eine Seile einer Mikrophonmembrane, ein zweites Richlrohr auf die andere Seite der Mikrophonmembrane wirkt.

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einiger Ausführungsbeispiele und unter Bezugnahme auf die Zeichnung. Die Fig.l zeigt das erfindungsgomäße Rohrrichtmikrophon in Ansicht. Die Fig. 2 stellt einen Längsschnitt durch das Rieht rohr in größerem Maßstab dar. Die Fig. 3 veranschaulicht einen Schnitt gemäß der Ebene III -III in Fig. 2.

Die Fig. 4 und 5 zeigen in Form von Diagrammen die Empfindlichkeitsverteilung bzw. die zusätzliche Phasendrehung über die Rohrlänge bei einer Frequenz von 200 Hz. Die Fig. veranschaulicht schematisch die Empfindlichkeitsverlcilung eines kombinierten Rohrricht-Gradientemnikrophons. Die Fig. 7 zeigt in " explodierter " Darstellung ein kombiniertes Richtrohr-Gradientenmikrophon _t

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In Fig. 1 ist mit 1 das Richtrohr bezeichnet, welches längs des Rohrmantels diskret angeordnete Schalleinlaßöffnungen 2 aufweist, die mit einem Filz- oder Gewcbebelag 3 abgedeckt sind. Die Schalleinlaßöffnungen 2 sind durch Kanäle 4 mit dem Innern des Richtrohres verbunden. Die in den Kanälen 4 befindliche Luftsäule stellt zufolge ihrer Masse eine " Induktivität " dar, welche auf ein Luftvolumen von bestimmter Elastizität ( " Kapazität " ) wirkt, so daß ein schwingungsfähiges Element ( Feder-Massestöpsel ) entsteht. Die Schwingungen dieses Systems werden durch die Reibung der Luftsäule an den Kanalwänden sowie durch das Gewebe- bzw. Filzbelag 3 gedämpft. Bei 5 ist das Richtrohr an eine nicht dargestellte Mikrophonkapsel angeschlossen, wobei eine der Membrane vorgelagerte Kammer unmittelbar mit dem Innern des Richtrohres in Verbindung steht. In einer Abänderung dieses Ausführungsbeispieles kann die Mikrophonkapsel auch unmittelbar im Richtrohr angeordnet sein. Die Eigenfrequenz der einzelnen Fcder-Massestöpsel-Systeme sind so abgestimmt, daß sie mit zunehmender Entfernung von der Mikrophonkapsel abnehmen. Die rechts im Bild dargestellten Feder-Massestöpsel-Cysteme müssen demzufolge mit einer relativ größeren Länge ausgebildet werden; um trotzdem zu brauchbaren Abmessungen dos Rohrrichlmikrophons zu gelangen, sind die Lufteinlaßkanälc 4 gefaltet, so daß sie eine Umwegleitung bilden. Der Frequenzeingang eines solchen Feder-Massestöpsel-Systems weist zwei Resonanzstellen auf, wovon eine erste durch die Eigenfrequenz der in dem Luftkanal schwingenden Luftsäule bestimmt wird, während sich die zweite Resonanzfrequenz durch die Luftsäule im Lufteinlaßkanal ( Masse ) sowie die Luftsäule zwischen dem Einlaßkanal und der Mikrophonmembrane ( Feder ) ergibt.

Das erfindungsgemäße Mikrophon bestellt aus drei wesentlichen Wirkungsbereichen. Die akustisch wirksame Länge des Rohres wird in zwei Teile geteilt, welche etwa gleich lang sind und welche dem Schall eine Phasenschiebung von etwa -^- bzw. =- erteilen ( siehe Fig.5 ). Dazwischen liegt ein verhältnismäßig schmaler Bereich ohne Phasenschiebung, aber gesteigerter Empfindlichkeit ( siehe Fig. 4 ). Bei Beschallung des Mikrophons von vorne ist nur der Mittelbereich wirksam, der durch die anderen beiden Teilbereiche eintretende Schall interferici·! weitgehend zu Null. Bei Beschallung des Mikrophons aus zunehmend größeren Winkeln wird die Phase der beiden anderen Anteile ( zufolge der

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Laufzeit des Schalles zwischen den entsprechenden Schalleinlaßöffnungen ) weiter vergrößert und es kommt zu zunehmend größerer Auslöschimg. Bei noch größeren Einfallswinkeln wird die Amplitude der beiden Anteile in dem Maß verringert, wie es die zunehmende Phasendrehung verlangt, um größere negative Resultierende zu vermeiden und so in weiten Winkelbereichen weitgehende Auslöschung zu erhalten. Die so erzeugten liicht-

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Charakteristiken folgen der Kurven 1 -c . -^— wobei die Massestöpsel ^b 1 - coscx ^λ

das Verhältnis ^- praktisch konstant halten. ( c ist eine durch die Wirkwiderstandsbelegung einstellbare Konstante ; z. B. -ψ- = -χ- c = 2 ). Nach dem Feder-Massestöpsel-Prinzip läßt sich ein Richtelement mit noch größerer Richtwirkung erzeugen, wenn es gemäß den Fig. 6 und 7 mit dem Gradienten-Richtprinzip kombiniert wird. It Fig. 6 ist schematisch ein derartiges Mikrophon dargestellt, dessen Membrane 6 beidseitig mit je einem Richtrohrsystem in Verbindung steht. Die einzelnen Richtrohrsysterne sollen in Übereinstimmung mit dem Ausfiümingsbeispiel gemäß Fig. 2 diskret angeordnete Schalleinlaßkanäle aufweisen, die als Feder-Massestöpsel-Systerne wirken. Diese sind so abzustimmen, daß sich die in Fig. ß bezeichnete Empfindlichkeitsverteilung ergibt» wobei die phasendrehende Wirkung nicht unbedingt ausgenutzt zu werden braucht. Die angegebenen Drücke entsprechen den Binominalkoeffizienten (,), wobei sich eine Richtcharakteristik

-s- η ( 1 + cos -^ ) ergibt. Mit steigendem η kann somit die Riehtwirkimg beliebig erhöht werden. Um eine Baßabsenkung zu verhindern ist es vorteilhaft, den Abstand zwischen den Eintrittsöffnungen proportional mit der Wellenlänge zu vergößern, was mit Hilfe der Impedanzglieder gelingt. Die Steigerimg der Richtwirkung dieses Mikrophons wird durch die rasch abnehmende Empfindlichkeit begrenzt.

In Fig. 7 ist schaubildlich ein derartiges kombiniertes Rohrricht-Gradientenmikrophon schematisch dargestellt. Die beiden Richtrohre sind aus 3 Platten 7,8,9 aufgebaut, deren äußere (7 und 8) je einen Längskanal 10 aufweisen, der durch Öffnungen 11*12 mit der die Mikrophonkapsel 13 enthaltenden Kammer 14 verbunden ist. Die Platten 7 weisen ferner Lufteinlaßkanäle 15 auf. Im montierten Zustand verschließt die Platte 9 den Kanal 10, sowie die Lufteinlaßkanäle 15 mit Ausnahme einer kleinen Einlaßöffnung. Die

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Die Öffnungen der Lulleinlaßkanüle werden durch einen zwischen die beiden Platten 7 und 8 eingelegten Filz- oder Gewebestreilen lü abgedeckt, wodurch die entsprechende Dämpfungswirkung der Fedcr-Massestöpsel-Syste.me erzielt wird.

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Claims

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Ing. Karl Vockenhuber, J J 80 Wien, Pötzleinsdorfei'straße 318 DDr. Ilaimund Ilauser, 1040 Wien, Goldegg-Gasse 2

Patent anspräche

Rohrrichtmikrophon mit längs des Rohres in Abständen angeordneten Schalleinlaßöffnungen, welche akustische, vorzugsweise als gedämpfte Feder-Massc-Slöpsel-Sysleme ausgebildete Impedanzglieder aufweisen, wobei die Richhvirkung aus der Interferenz der durch die Schalleinlaßöffnungen in das Rohr eintretenden Wellen resultiert und die Grcnzfrequenr.en nach einer Richtung zunehmen, dadurch gekennzeichnet, daß die Impedanzglieder so abgestimmt und längs des Richlrohros verteilt sind, daß bei Beschallung die wirksame Rohrlänge in zwei Abschnitte geringer Empfindlichkeit und entgegengesetzter Phasenverschiebung von etwa γ und einem zwischen diesen Abschnitten liegenden Bereich hoher Empfindliclikeit ohne Phasenverschiebung geteilt ist, wobei zur Verkürzung der wirksamen Rohrlänge mit steigender Frequenz die Impedanzgliedcr mit wachsendem Absland von der Mikrophonkapsel aufliefere Frequenzen abgestimmt sind.
2. Rohrrichtmikrophon nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die in das Richlrohr einmündenden, Feder-Massestöpsel-Systeme bildende Schalleinlaßkaniile nach außen in an sieh bekannter Weise mit einem akustischen Wirkwiderstand z.B. mit einem Gewebe- oder Filzbelag abgeschlossen sind.
3. Rohrrichtmikrophon nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die in das Rohr einmündenden, insbesondere auf tiefe Frequenzen abgestimmten und als Feder-Massestöpsel-Systeme wirkende Schalleinlafckanäle als Umwegleitungen ausgebildet, beispielsweise gefaltet sind.
4. Roh rrichtmikrophon nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß in an sich bekannter Weise mindestens ein weiteres auf dieselbe Mikrophonkapsel

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BAD ORIGINAL

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wirkendes und vorzugsweise gleichartig aufgebautes Richtelement vorgesehen ist, wobei gegebenenfalls ein Richtrohr auf die eine Seite einer Mikrohonmcmbran, ein zweites Rieht rohr auf die andere Seite der Mikrophonmembran wirkt.
5. Rohrrichtmikrophon nach Anspruch 4 mit mindestens zwei Richtrohren, die auf verschiedene Seiten der Mikrophonmembran wirken, dadurch gekennzeichnet, daß die Fedcr-MasscstUpsel-Sysleme der beiden Richtrohe so abgestimmt sind, daß die Empfindlichkeitsverteilung über die Rohrlänge Binominalkoeffizienten ( , ) entspricht, wobei η der Anzahl der Rchalleinlaf:kanäle minus 1 und k der Nummer des jeweiligen Schalleinlaß-

k kanals von der Membran her gezählt , entspricht.
6. Rohrmikrophon nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 5, wobei der axiale Abstand zwischen den Schalleinlaßkanälen nach einer Richtung wächst, dadurch gekennzeichnet, daß der axiale Abstand zwischen den Schallcinlaßöffnungen - insbesondere proportional mit der Wellenlänge, auf welche die Feder-Massestöpsel-Systcme abgestimmt sind - mit zunehmendem Abstand von der Membran wächst.

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