DE2235169A1

DE2235169A1 - Richtmikrophon

Info

Publication number: DE2235169A1
Application number: DE2235169A
Authority: DE
Inventors: Gerhard Martin Sessler; James Edward West
Original assignee: Western Electric Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1971-07-21
Filing date: 1972-07-18
Publication date: 1973-02-01
Also published as: US3715500A; JPS5219966B1; DE2235169C3; AT322650B; DE2235169B2; GB1407266A; CA948305A

Description

Richtmikrophon ί..-.,.■:',..-. : .. ■'-:-'-

Die Erfindung bezieht sich auf einen elektroakustischen Wandler und insbesondere auf ein Richtmikrophön mit einseitiger Richtcharakteristik.

Richtmikrophone werden in einer Vielzahl von Tonfrequenz-Femmeldesystemen zur Hervorhebung schwacher Signale in einer geräuschvollen Umgebung und zur Verringerung der Machhalleffekte verwendet. Solche Mikrophone finden auch in Situationen Anwendung, bei denen Schallungen einen ungünstigen Einfluß auf die Qualität der Schallübertragung haben. Mikrophone stehen mit vielen unterschiedlichen Empfindlichkeitsdiagrammen, und zwar von Diagrammen entsprechend allseitiger Schallaufnahme bis zu Diagrammen mit einseitigen Richtcharakteristiken zur Verfügung. In Tonstudioanwendungsfallen und dergleichen wird weitgehend das Richtmikrophön mit einseitiger Schallaufnahme verwendet.

Richtmikrophone, z.B. Druckgradientenmikrophone erster Ordnung (Kardioide) oder Druckgradientenmikröphone zweiter Ordnung sprechen vornehmlich auf aus einer Richtung kommenden Schalldruck an. Ein Kardioiddiagramm (Nierendiagramm) erster Ordnung wird dadurch erreicht, daß man den Ausgang eines druckempfindliehen Elements gegenphasig mit dem verzögerten Ausgang eines

209885/095A
BAD ORIGINAL¹

zweiten druckempfindlichen Elements kombiniert, das von dem ersten druckempfindlichen Element einen im Vergleich zur Schallwellenlänge kleinen Abstand hat. Ein Gradientendiagrarrjn zweiter Ordnung wird dadurch erreicht, daß man den Ausgang eines Druckgradientenelements gegenphasig mit dem verzögerten Ausgang eines anderen Druckgradxentenelementes kombiniert, das von dem ersten einen im Vergleich ze einer Wellenlänge kleinen Abstand hat. Bei einigen Mikrophonen wird die Verzögerung durch ein mit dem Mikrophon integriertes akustisches Netzwerk erreicht, z.B. durch einem Schallfeld an vorgegebenen Stellen ai/sgesetzte Hohlraumanordnungen oder durch Anordnungen von in Abstand angeordneten akustischen Rohren, welche an vorgegebenen Punkten in einem Schallfeld offen sind. In anderen Mikrophonen sind elektrische Verzögertingsnetzwerke zwischen den beiden Wandlerelementen eingesetzt, um ein gewünschtes Richtdiagramm zu erreichen. Jede dieser bekannten Anordnungen erfordert einen komplizierten und aufwendigen Aufbau. Außerdem benötigt das elektrische Verzögerungssystem häufig Hilfsenergien. Es liegt auf der Hand, daß ein für eine Vielzahl unterschiedlicher Anwendungafälle geeignetes Mikrophon relativ einfach aufgebaut sein, vernünftig kleine Abmessungen haben und ohne alle überflüssige elektronischen Geräte und leistungsauf nehmende Elemente auskommen sollte.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, den Nachteilen bekannter Mikrophonanordnungen durch Schaffung eines einfachen, gedr-inct

209885/0954
BAD ORIGINAL

gebauten elektrischen Wandlers zu begegnen, der eine Richtcharakteristik mit einseitiger Schallaufnahme hat.

Zu diesem Zweck ist das erfindungsgemäße Richmikrophon aus zwei Gradientenmikrophonen erster Ordnung aufgebaut. Die Richtwirkung wird dadurch erreicht, daß das Ausgangssignai eines Gradientenmikrophorf* erster Ordnung mit dem verzögerten Ausgangssignal eines anderen, räumlich versetzten, jedoch in einer Linie ausgerichteten Gradienten-

mikrophons entgegengesetzter Polarität addiert bzw. überwird ■ ■ .

lagert» Erfindungsgemäß wird die erforderliche Verzögerung mit Hilfe von zwei Paaren von Sensorrohren unterschiedlicher Längen hervorgerufen. Die Rohre sind so angeordnet, daß sie ein Schallfeld an vier verschiedenen Punkten auf einer geraden Linie abtasten. Akustische Signale von zwei diametral entgegengesetzten Rohren von denen eines kurz und eines lang ist, werden in einem Hohlraum summiert, und akustische Signale von zwei anderen, diametral entgegengesetzten Rohren, von denen eines kurz und das andere lang ist, werden an einem anderen Hohlraum summiert. Die in den beiden Hohlräumen entwickelten Signale werden von einem zwischen den Hohlräumen angeordneten Elektretwandler differenziell kombiniert. Durch geeignete Wahl der Rohrlängen und -anordnung läßt sich die zur Erzielung der Richtcharakteristik erforderliche Signalverzögerung direkt ohne andere elektrische oder mechanische Mittel erreichen.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. In der

209885/0954

. ■ BAD ORIGINAL

Zeichnung zeigen:

Fig. 1 ein einseitig schallaufnehmendes Richtmikrophon, das erfindungsgemäß aufgebaut ist;

Fig. 2 eine schematische Schnittans.tr ichf durch das in Fig. 1 dargestellte Richtmikrophon;

Fig. 3 eine schema'tische Darstellung des Konzeptionsprinzips des erfindungsgemäßen Mikrophons , wobei die Kombination von zwei Gradientenmikrophonen

erster Ordnung zur Erzielung der Richtcharakteristik -v -

i- gezeigt ist; und

Fig. 4 ein Richtdiagramm eines einseitig aufnahmefähigen Richtmikrophons gemäß der Erfindung für verschiedene physikalische Abmessungen.

In Fig. 1 ist ein die Prinzipien der Erfindung verkörperndes Mikrophon, das für zahlreiche Anwendungsfälle geeignet ist, in einer gedrängten, festen Bauweise dargestellt» Das in Fig.

gezeigte Mikrophon weist zwei Druckgradientenwandler erster

die Ordnung mit entgegengesetzten Polaritäten, in gegenseitigem Abstand angeordnet sind, ein Verzögerungssystem und eine Anordnung zum Addieren bzw. überlagern des Ausgangssignals eines der Gradientenwandler und des verzögerten Ausgangssignals des anderen Wandlers auf. Es ist zu erkennen, daß die Summation der Signale der beiden Gradientmikrophonsysteme entsprechend dem bekannten Gradientprinzip zu einem einseitigen Rieht- bzw. Empfindlichkeitsdiagramm führt. Erfindungsgemäß wird jedoch

209885/0954

BAD ORIGINAL

sowohl die Signalverzögerung als auch die Signalsummation durch den konstruktiven Aufbau erreicht, ohne daß zusätzliche elektrische Komponenten benötigt werden.

Ein Schallfeld wird an vier ausgewählten Punkten auf einer Geraden mit Hilfe von zwei Paaren von akustischen Rohren 10 und 12 sowie 11 und 13 abgetastet, welche akustische Signale in ein zylinderisches Gehäuse 14 einführen. Die Rohre 10 und 12 haben gleiche Länge und führen Schall von zwei getrennten Punkten auf einer den Durchmesser des zylinderischen Gehäuses 14 schneidenden Geraden ein. Die Signale von den Rohren 10 und 12 werden in obere bzw. untere Hohlräume im Gehäuse 14 eingeführt und dienen dazu, gegenüberliegende Seiten eines zwischen den Hohlräumen in einer zur Gehäuseachse rechtwinkligen Ebene liegenden Wandlers 20 differentiell anzuregen. Der Wandler 20 teilt das Gehäuse tatsächlich in zwei getrennte Hohlräume. Das System der Rohre 10 und 12, die beiden Hohlräume und der Wandler 20 bilden.zusammen ein Gradientmikrophon erster Ordnung.

Die Rohre 11 und 13 haben in ähnlicher Weise gleiche Länge, jedoch ist die Länge des Rohrpaars 11 und 13 von derjenigen des, Rohrpaars 10 und 12 verschieden. Die Rohre 11 und 13 tasten ein Schallfeld an zwei Punkten auf der durch einen Gehäusedurchmesser laufenden gleichen Geraden ab. Signale aus den Rohren werden jeweils in den oberen und unteren Hohlraumteil des Gehäuses geführt und dienen dazu, einander gegenüberliegende Seiten des -Wandlers differentiell zu erregen. Das aus den beiden Rohren 11 und 13, den beiden Hohlräumen und dem Wandler

209885/0954 „

BAD ORIGINAL c>._*

bestehende System bildet ein weiteres Gradient« mikrophon erster Ordnung.

Der Innenaufbau des Wandlers gemäß Fig. 1 ist in Fig. 2 dargestellt. Es ist zu sehen, daß das Gehäuse 14 von einer Wandleranordnung, die rechtwinklig zur Gehäus'eachse gehaltert ist, in zwei Innenhohlräume 15 und 16 unterteilt ist. Der Wandler besteht aus einer gelochten Grundplatte 17 und einem Blattchenelektret 18, der in unmittelbarer Nähe der gelochten Grundplatte 17 angebracht ist. Der Blattchenelektret 18 dichtet» die beiden zylindrischen Hohlräume von einander ab. Der Hohlraum 15 nimmt die akustische Energie vom Rohr 10, einem län'geren Rohr, und vom Rohr 11, einem kürzeren Rohr, auf, wobei beide Rohre so angeordnet and, daß sie ein Schallfeld auf einer geraden Linie, z.B. auf einem Durchmesser des Zylinders abtasten. Die Rohre 10 und 11 bilden Teile von zwei verschiedenen Gradientmikrophonsystemen; ihre Schallsignale Vv srden effektiv in dem Hohlraum 15 addiert. Der untere Hohlraum 16 wird vom Rohr 12, einem längeren Rohr, und vom Rohr 13, einem kürzen Rohr, beaufschlagt, wobei beide Rohre so angeordnet sind, daß sie das Schallfeld an Punkten auf derselben geraden Linie wie die Abtastepunkte der Rohre 10 und 11 abtasten. Die Rohre 12 und 13 bilden Teile von zwei verschiedenen Gradientmikrophonsystemenj .ihreSehn11SignaIe werden im Hohlraum 16 addiert.

209835/0954

BAD ÖftfelNALT

Das Funktionsprinzip des neuen Richtmikrophons ist schematisch in Fig. 3 angegeben. In der Fig. stellt d_ den Abstand der offenen Außenenden der akustischen Rohre 10 und.12, die zusammen ein Gradientmikrophon erster Ordnung bilden, und ferner den Abstand der offenen Außenenden der akustischen Rohre 11 und 13 dar, die zusammen ein anderes Gradientmikrophon erster Ordnung bilden. Der Abstand d^ stellt den Abstand zwischen den Rohren der beiden Gradientsysterne dar. Die kurzen Rohre 11 und 13 gehören zu einem Gradienten mit geringer Verzögerung, während die langen Rohre 10 und 12 zu einem Gradienten mit großer Verzögerung gehören. Wenn die Längendifferenz* der beiden Rohrpeare mit d₃ bezeichnet wird, so ergibt sich die Zeitverzögerung ItT der beiden Gradientwandler zu d_/c, wobei c die Schallgeschwindigkeit ist. Die erforderliche Verzögerung L für den Richtwandler wird allein von dem System der akustischen Rohre entwickelt. Das System ist in Fig. 3 als Element 30 dargestellt, um die Funktionsbeziehungen anzudeuten.

Bei einem herkömmlichen System werden Signale von zwei Gradientmikrophonen einzeln summiert, die Signale aus einem Mikrophon verzögert, z.B. im Verzögerungssystem 30, und die beiden resultierenden Signale sodann addiert, z.S im Addierer 31. Erfindungsgemäß erfolgt demgegenüber die Addition von Signalpaaren direkt in den entsprechenden Hohlräumen und die erforderliche Verzögerung wird direkt durch die Auswahl, Dimensionierung und Anordnung des Systems aus akustischen Rohren erzielt. „ *

209885/0954

BAD

Einzelheiten der Konstruktion eines Hohlraumwandlers nebst akustischem Rohr sind in der Deutschen Patentanmeldung P 20 025 24.5 beschrieben. Das dort beschriebene Richtmikrophon erreicht eine ringförmige Richtcharakteristik. Da.die Elemente des neuen Richtmikrophöns denjenigen der zuvor·genannten Deutschen Patentanmeldung ähneln, werden Erläuterungen über die Art der Herstellung und des Zusammenbaus hier fortgelassen.

Bei einer typischen Viandlereinheit 20, die in der Praxis Verwedung findet, besteht die Rückplatte 17 aus einer Messingscheibe von 4 cm Durchmesser mit 100 Bohrungen eines Durchmessers von 0,08 cm und mit vier kreisförmigen Rippen auf einer' Oberfläche-,· die jeweils eine Höhe von 25,4 Mikrometer haben. Das Elektretblättchen 18 besteht dabei aus einer 25,4 ^im Schicht aus Fluoräthylenpropylen, das unter dem Handelsnamen Teflon FEP vertrieben wird; die Schicht ist einseitig metallisiert und vorzugsweise unter Verwendung einer Elektronenstrahlmethode aufgeladen. Der von der Rückplatte und demElektretblättchen gebildebe Wandler ist so angebracht, daß die beiden im Gehäuse 14 gebildeten Kammern gegeneinander abgedichtet sind. In der Praxis ist eine der beiden Kammern yoluinenveränderlich, wobei zur Einstellung des Volumens beispielsweise ein Schraubenkolben oder dergleichen vorgesehen ist, der ein Abstimmen der akustischen (Helmholtz-) Resonanzen des Rohr-Hohlraumsystems ermöglicht. Elektrostatische Wandler mit perforierten Rückplatten und Blattelektretmembranen sind bekannt; sie sind beispielsweise in der DT-PS 1 437 486 beschrieben. Einzelheiten*

209885/0954

der Herstellung der Rückplatte, der Rippenstruktur und dergleichen sind4n ähnlicher Weise bekannt und beispielsweise beschrieben in der DT-PS 1 190 040.

, Bei dem praktischen Ausführungsbeispiel waren die· verwendeten Rohre 10 und 12 5cm lang, während die Rohre 11 und 13 jeweils, eine Länge von 3,5 cm hatten. Die beiden Rohrpaare hatten Innen- bzw. Außendurchmesser von 0,22 bzw. 0,32 cm. Alle Rohre waren an ihren Enden offen und mit etwa 60 mg Stahlwolle gefüllt:, um akustische Resonanzen zu dämpfen.

Jeder Hohlraum und die ihm zugeordneten Rohre bilden daher einen Helmholtz-Resonator oder ein akustisches Tiefpassfilter. Wenn man die Resonanzfrequenz im unteren Ende des in Betracht stehen-

2 den Frequenzbereichs hält, so wird eine Kompensation der U3 Abhängigkeit der Empfindlichkeit des Systems, wie sie nachfolgend erläutert wird, erreicht.

„ Da alle vier Sensoren bzw. Fühler so angeordnet sind, daß ein Schallfeld an auf einer Geraden liegenden. Punkten abgetastet wird, ist das Richtdiagramm des Wandlers rotationssymmetrisch. Die Addition der Ausgangsspannungen beider Gradientsysteme führt daher zu einem Empfindlichkeitsdiagramm S, das gegeben ist durch

S = A (ikd₂) JeXp(IlCd₁) + expdkd^ , (1)

wobei A eine von der Frequenz und dem Einfallwinkel O relativ zur Rotationsachse des Systems unabhängige Pronortionalitäts-

2098 8 5/0954

BAD ORIGINAL

konstante, i der Imaginäroperator, k die Kreiswellenzahl, k = k cos θ ist und d,, d„ und d~ die in Fig. 3 dargestellten Abstände in cm darstellen. Für ic d₁ *k 1 und kann geschrieben werden

S = A (ikd_o) (IiEd_-1 + ikd„)

7 ⁽².^}

= A (k d₂ cos Θ) (d₃ + d^ cos Θ)

Die Empfindlichkeit.^ des Systems ergibt sich bei einem konstanten Einfallwinkel aus Gleichung (2) und ist gegeben durch

S = Bk² = B ( o>/c)², (3)

wobei B eine von der Frequenz unabhängige Proportionalitäbr»- konstante· ist undCudie Winkelfrequenz darstellt. Die Empfindlichkeit ist daher p.. „_t ■ - ional zum Quadrat der Frequenz.

Bei konstanter Frequenz und für d^ = d-, ergibt sich die Empfindlichkeit S ebenfalls aus Gleichung (2) durch

^s S = D cos θ (1 -f cos t) (4)

wöbe. D eine vom Einfallwinkel unabhängige Proportionalitätskonstante ist. Das Richtdiagramm ist daher durch ein Maximum bei θ β 0°, Null-SteiZen bei O = 90° und 180° und zwei Nebenkeulen bei θ = 120° gekennzeichnet. Theoretische Richtdiagramme des Wandlers für eine Anzahl von Verhältnissen d^/d^ sind/n den in Fig. 4 dargestellten Diagrammen aufgeführt.

209885/0954 BAD ORIGINAL

Frequenzgangmessungen, die mit dem in der Praxis erprobten Wandler durchgeführt wurden, zeigen, daß die Empfindlichkeit für G = 0° innerhalb von 2 db von "250 Hz bis 3 kHz liegt. Der Frequenzgang für 9 = 90° und 180° ist um 10 bis 20 db niedriger als.der Frequenzgang für O = O über den größten Teil des Fernsprechbandes. Die Helmholtz-Reson'anz des Systems trägt zur Kompensation und zum Abgleich des Systems bei. Das gemessene Richtungsmaß für das oben im einzelnen beschriebene Mikrophon beträgt etwa 8 db im Vergleich zu einem berechneten Wert von 8,7 db.

Selbstverständlich können die genaue Empfindlichkeit und die Richtdiagramme für den Wandler durch Änderung der Gesamtgröße der Einheit, der relativen Abmessungen der Hohlräume und der Längen der Rohre geändert werden. Bei solchen Abwandlungen müssen die Beziehungen unter den verschiedenen Elementen natürlich aufrecht erhalten bleiben, um die beschriebenen Ergebnisse zu erzielen. Es ist zu erkennen, daß die einseitige Aufnahmecharakteristik des Mikrophons zu einem Nierendiagramm entartet, wenn nur zwei der Rohre verwendet werden, um Signale dem System zuzuführen, wobei ein kurzes Rohr in einen Hohlraum und ein langes Rohr in dem anderen Hohlraum mündet. ■

209885/0864

Claims

Patentansprüche

lJ Mikrophon mit einer durch Kombination des Aüsgangssignals eines ersten Gradientmikrophons erster Ordnung mit dem verzögerten Ausgangssignal entgegengesetzter Polarität einos zweiten Gradientmikrophons erster Ordnung entwickelten Richtcharakteristik,

da durch gekennzeichnet, daß jedes der Gradientmikrophone einem Schallfeld durch ein Paar vonöiametral entgegengesetzten Rohren (10, 11, 12, 13)

vorgegebener Längen ausgesetzt ist, wobei" die Rohre so angeordnet sind, daß sie das Schallfeld an verschiedenen Punkton auf einer Geraden abtasten, und die in den beiden Gradientmikrophonen entwickelten Signale von einem beiden Gradientmikrophonen gemeinsamen WandJer (17, 18) differentiell/kombiniert (Fig. 3) werden.
2. Mikrophon nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten Gradientmikrophone sich in erste und zweite selektiv dimensionierte akustische Hohlräume teilen, daß der Wandler die beiden akustischen Hohlräume zum differentiellen Umsetzen von den Hohlräumen zugeführten akustischen Signalen in elektrische Signale trennt, daß die beiden diametral entgegengesetzten Rohre der ersten und zweiten Gradientmikrophone in ersten und zweiten Längen vorgesehen sind, daß die Rohre des

20988570354
BAD ORIGINAL

ersten Gradientmikrophons jeweils in den ersten bzw. zweiten Hohlraum münden und aus den Hohlräumen so weit vorstehen, daß sie das Schaufeld art ersten, in einem vorgegebenen Abstand voneinander liegenden Punkten auf der Geraden ab- , tasten, daß die Rohre des zweiten Gradientmikrophones jeweils in den ersten bzw. zweiten Hohlraum münden und aus den Hohlräumen so weit vorstehen, daß sie das Schallfeld an zweiten, in dem vorgegebenen Abstand von einander liegenden Punkten abtasten, und daß die Abtast- bzw. Schalläufnahmeenden der in den ersten Hohlraum mündenden Rohre weiter voneinander entfernt sind als die Abtast- bzw. Schallaufnahmeenden der in den zweiten Hohlraum mündenden Rohre. .
3. Mikrophon nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Wandler einen Folien- bzw. Blattelektreten aufweist.
4. Mikrophon nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohre der ersten Länge um ein Maß langer als die Rohre der zweiten Länge gewählt sind, daö auf dem Abstand zwischen dem Abtast- bzw. Schallaufnahmepunkt des in den ersten Hohlraum mündenden Rohres der ersten Länge und dem Abtast- bzw. Schallaufnahmepunkt des in den zweiten Hohlraum mündenden Rohres der aweiten Länge bezogen ist.
5. Mikrophon nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Längendifferen,z zwischen den Rohren der ersten und der zweiten Länge zum Abstand auf der Geraden

209885/095A

BADORfQfNAL

zwischen dem Abtast- bzw. Schallaufnahmepunkt des in den ersten Hohlraum mündenden Rohres der ersten Länge und einem der in den zweiten Hohlraum mündenden Rohre der zweiten Länge gleich ist.
6. Mikrophon nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß

die Hohlräume zylinderisch ausgebildet sind,und daß der Wandler zwischen den Hohlräumen in einer zu deren Achse rechtwinkligen Ebene gehaltert ist.
7. Mikrophon nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß alle Rohre mit Mitteln zur Dämpfung akustischer Resonanzen ausgestattet sind.
8. Mikrophon nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlräume so bemessen sind, daß sie am unteren Ende des für das Mikrophon vorgesehenen Frequenzbereichs resonant sind.

20 9 8 85/095/;