DE2928203A1 - Kondensatormikrophon - Google Patents

Description

DB 408/BREV/Pms

Prioritätstag: 12.7.1978 10594 Dr.v.B/Gu

Ital. Anmeldung Nr. 25585 A/78

Societä Italiana Telecomunicazioni

Siemens s.p.a.

Piazzale Zavattari 12, Mailand Italien

KONDENSATORMIKROPHON

Die Erfindung bezieht sich auf ein Kondensate)rmikrophon nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Kondensatormikrophone finden als elektroakustische Wandler hoher Qualität Anwendung vor allem bei professionellen Geräten wie z.B. für physikalische Laboratorien, für elektromedizinische Zwecke, für die geologische Forschung oder für militärische Zwecke (SONAR) sowie bei Einrichtungen für Aufnahmeräume oder Tonstudios.Die bekannten Kondenstormikrophone bestehen im allgemeinen aus einem elektrischen Netzwerk, das in Reihe geschaltet einen Kondensator, eine Quelle für eine im folgenden mit E bezeichnete Gleichspannung und einen im folgenden

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mit R bezeichneten Widerstand, an dessen Enden das Ausgangssignal vorliegt, enthält. Die Kapazität des Kondensators ist in Abhängigkeit von dem auf eine der Kondensatorelektroden wirkenden Schalldruck veränderlich, und seine zeitabhängige Gesamtkapazität hat unter der Annahme eines sinusförmigen Schalldruckes den Wert C(t) - C + C₁ sin ω t, wobei C den Wert der statischen

οι ο

Kapazität darstellt und C. dem Kapazitatsanderungsbereich entspricht, der in Abhängigkeit von den Schalldruckänderungen erzielbar ist. Es läßt sich zeigen (siehe "Physical Review", 1917, Vol. X - Nr 1, Seite 39),daß folgende Differentialgleichung dem elektrischen Gleichgewicht des Ersatzschaltbildes des bekannten Kondensatormikrophons entspricht, das durch eine Schallwelle mit der reinen Frequenz f = -^- erregt wird:

d i
1) (C + C₁ Sintot) R + (1 + RC₁ ω cosio t) i + E C₁ ω COS₁₁) t = 0,

° ^A dt ^{L x}

wobei i den im Netzwerk fließenden Strom darstellt. Es läßt sich ferner zeigen, daß die Lösung dieser Differentialgleichung sich wie folgt ergibt:

2) i =Σΐ_η sin (η ω t + #"_n)

Werden die ersten zwei Glieder zerlegt, so ergibt sich:

τ? ρ

3) i = )

E C₁ ² R
! sin

+ Glieder höherer Ordnung.

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Aus der Gleichung 2) geht hervor, daß das durch das betreffende Mikrophon erhaltene elektrische Signal zahllose Oberwellen aufweist, die unerwünscht sind, weil sie die Schallwiedergabetreue durch das Mikrophon vermindert. Aus der Gleichung 3) läßt si_ch ferner feststellen, daß das Verhältnis zwischen der ersten Oberwelle und der Grundwelle nicht unerheblich ist und den Wert

CR

4) J _

^Cl 1
hat, der zu wird, wenn 2R^, ist.

^2Co ^Co " ^ω

Ein weiterer Nachteil der Kondensatormikrophone bekannter Art besteht darin, daß sie eine ziemlich hohe Vorspannung { E = 50 bis 100 V ) erfordern, wenn ein nennenswertes Nutzsianal am Ausgang verfügbar sein soll, weil bei derartigen _n

~ 1 Mikrophonen die Amplitude der Ausgangsspannung den Wert V= E

hat. Da in der Praxis der veränderliche Kondensator C(t) ο

G —3

ein sehr niedriges Verhältnis 1 haben kann (z.B.10 .,ist in

C 30

diesem Fall die Amplitude der Ausgangsspannung ν ein sehr kleiner Bruchteil der Gleichspannung E .

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein die erläuterten Nachteile vermeidendes Kondensatormikrophon anzugeben, dessen Ausgangssignal möglichst genau dem Spektrum des erregenden akustischen Signals entspricht und eine Amplitude hat, deren Größe mit der das Mikrophon speisenden Gleichspannung vergleichbar ist.

Diese Aufgabe wird durch das im Anspruch 1 gekennzeichnete Kondensatormikrophon gelöst.

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Da bei dem hier beschriebenen Kondensatormikrophon der erwähnte Widerstand R nicht vorgesehen ist, verhält es sich hinsichtlich Verzerrungen annähernd wie ein ideales Mikrophon . Wenn nämlich in der Gleichung 1) der Widerstand R gleich Null gesetzt wird, dann gilt für den Strom i = E C,<ücos uit. Wird dieser Strom mit

1
einer kapazitiven Reaktanz multipliziert, so erhält man eine

E C₁ cosiot ^Cw

Spannung ν = , die oberwellenfrei ist und eine Ampli-

c
tude mit der Größe der Spannung E hat (wenn C = C₁) , wodurch der gewünschte Zweck erreicht ist. Der Widerstand R, der eigentlich erforderlich ist, um ein dem Strom i proportionales Signal zu erzielen, wird durch die beiden (die Gleichspannung an den veränderlichen Kondensator anlegenden) Kapazitäten ersetzt; da diese miteinander in Reihe geschaltet sind und gleichen Wert entgegengesetzten Vorzeichens aufweisen, ist ihre Gesamtwirkung gleich Null.

Ein besonderer Vorteil des hier beschriebenen Kondensatormikrophons ist seine besonders einfache Schaltungsanordung, die problemlos auch als ingerierte Schaltung realisierbar ist.

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung eines nich einschränkenden Ausführungsbeispiels. In der Zeichnung zeigen:

Figur 1 das Ersatzschaltbild eines Kondensatormikrophons bekannter Art;

Figur 2 das prinzipielle Ersatzschaltbild eines Kondensatormikrophons der hier beschriebenen Art;

Figur 3 das reale Ersatzschaltbild des Kondensatormikrophons

Figur 4 eine praktische Ausführungsform des Kondensatormikrophons nach Figur 3; und

Figur 5 das Kondensatormikrophon nach Figur 4 mit den zu seiner Realisierung führenden Bauelementen.

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Bei dem bekannten Kondensatormikrophon nach Figur 1 wird an die Elektroden des veränderlichen Kondensators C (t) eine Gleichspannung E Ober einen Widerstand R angelegt. Bei sinusförmigen Druckänderungen an der beweglichen Elektrode des Kondensators C(t) fließt ein Strom i(t),und an den Enden des Widerstandes R wird ein sinusförmiges Signal v(t) erzeugt, das - wie oben erwähnt wurde - zahllose unerwünschte Oberwellen aufweist, während die Grundwelle eine Amplitude hat, die nur ein geringer Bruchteil der Gleichspannung E ist. Bekanntlich ist die Widergabetreue eines elektroakustischen Wandlers um so geringer,je höher der Pegel und die Zahl der Oberwellen ist, die er zusätzlich zu der Grundfrequenz des erregenden akustischen Signals erzeugt.

Wie aus dem in Figur 2 dargestellten Prinzip-Ersatzschaltbild des erfindungsgemäß realisierten Kondensatormikrophons ersichtlich ist, wird der Widerstand R weggelassen, damit ein Strom i(t) = ECitüCOscüt fließt, welcher nach Multiplikation mit einer kapazitiven Reaktanz ^- _{&in oberwellenfreies sinusförmiges} Signal ergibt, dessen Amplitude etwa mit der Größe der Spannung E übereinstimmt.

Aus dem realen Ersatzschaltbild des Kondensatormikrophons nach Figur 3 ist ersichtlich, daß die erwähnte kapazitive Reaktanz durch eine erste und eine zweite Kapazität C₂ bzw. -C₂ gebildet wird, die miteinander und mit dem Kondensator C(t) in Reihe geschaltet sind und den gleichen Wert,aber entgegengesetztes Vorzeichen haben. An den Enden der Kapazität -C- entsteht eine

1 Spannung bzw. ein Signal ν = EC₁WCOSUt . Da die kapaziti-

ven Reaktanzen der Kapazitäten C- und -C₂ den gleichen Wert und entgegengesetztes Vorzeichen haben, wird die Gesamtreaktanz zu Null, so daß das reale Ersatzschaltbild nach Figur 3 sich ähnlich verhält wie das Prinzip-Ersatzschaltbild der Figur 2 .

In Figur 4 ist eine mögliche Schaltung zur Realisierung der im Ersatzschaltbild der Figur 3 enthaltenen negativen Kapazität dargestellt. Die negative Kapazität erzielt man durch einen so-

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genannten Negativübersetzer NIC (worunter ein Vierpol in Form eines Widerstandswandlers zur Bildung negativer Widerstände zu verstehen ist), dessen Klemmen la und Ib auf der einen Seite in Reihe mit der Kapazität C- geschaltet sind und dessen Klemmen 2a und 2b auf der anderen Seite an die Kapazität C, angeschlossen sind. Eine solche Schaltungsanordung verhält sich so, als ob an den Klemmen la und Ib des Negativübersetzers NIC eine Kapazität (-C-) mit negativem Vorzeichen angeschlossen wäre.

Bei dieser Schaltungsanordung kann der Negativübersetzer NIC an dem Kondensator bzw. an der Kapazität C₃ einen Strom i(t) = KEC-jUCosüit fließen lassen, wobei K das Wandlerverhältnis des Negativübersetzers NIC darstellt. Die an den Polen der Kapa-

KE C-* zität C₁ erzeugte Spannung beträgt also ν = ~ coswt, die

^C3

ersichtlich keine Oberwellen aufweist und eine Amplitude hat, die vom Wert der Kapazität C₃ und vom Wandlerverhältnis K abhängig ist. Wird eine Kapazität C- mit gleichem Wert wie die dynamische Kapaziät C, und ein Wandlerverhältnis K=I gewählt, so beträgt die an den Polen der Kapazität C, entstehende Spannung ν = Ecosut, so daß die Amplitude des Nutz- oder Ausgangssignals mit der Gleichspannung E der Spannungsque'lle übereinstimmt. Wenn eine Kapazität C, gewählt wird, deren Wert kleiner bzw. größer ist als derjenige der dynamischen Kapazität C, (bei einem Wandlerverhältnis K des Negativübersetzers NIC von -1), dann ist die Amplitude der Spannung ν selbstverständlich größer bzw. kleiner als die Gleichspannung E.

Figur 5 sind die Einzelheiten einer bevorzugten Schaltungsanordnung des hier beschriebenen Kondensatormikrophons zu entnehmen, wobei hervorzuheben ist, daß der in Strichlinien eingerahmte Teil problemlos als integrierte Schaltung realisiert werden kann, wodurch Gewicht, Kosten und Abmessungen des Mikrophons in befriedigenden Grenzen gehalten werden können.

Die Wirkungsweise des Negativübersetzers NIC muß hier nicht

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näher beschrieben werden, weil sie an sich bekannt ist. Es sei jedoch darauf hingewiesen, daß am Ausgang des Differenzverstärkers A ein Potentiometer oder abgleichbarer Widerstand R₂ vorgesehen ist, der in Reihe mit den Widerständen R, und R₃ liegt. Mit dem Widerstand R₂ läßt sich das Wandlerverhältnis K des Negativübersetzers NIC verändern. Diese Eigenschaft kann dazu genutzt werden, die Werte der Kapazitäten C₃ und -C₂ aneinander anzugleichen. Im Rahmen der Erfindung kann der Wert der Kapazität C₃ von der Kapazität C_ erheblich abweichen und ein Negativübersetzer NIC verwendet werden, dessen Wandlerverhältnis so eingestellt ist,

-2

daß an den Klemmen la und Ib eine Kapazität -K .C- = -C_ wiederhergestellt wird.

Das hier beschriebene, erfindungsgemäß realisierte Kondensatormikrophon ist wesentlich widergabegetreuer und auch empfindlicher als die bekannten Kondensatormikrophone. Selbst bei Frequenzänderungen von einigen Hz bis zu einigen Zehn kHz ist ein konstantes Ansprech- bzw. Widerqabeverhalten zu erreichen. Daher ist das Kondensatormikrophon auch gut als elektroakustischer Wandler bei Fernsprechgeräten geeignet.

Ein besonders guter Frequenzgang läßt sich z.B. dadurch erreichen, daß man einen veränderlichen Kondensator einsetzt, dessen Schwingmembran aus metallisiertem Nylon besteht, also aus einer Membran, auf welche eine Schicht leitenden Materials aufgetragen ist.

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Leerseite

Claims (3)

1. PATKrTANVAI TI'

   I)R. I)IHTKH V. JtKZOLD I)IPU IN(J. PKTKK SCIU¹TZ I)IPL. IN(I. WOLW.AN« H

   MAlIIA-TiIKIlKSlA-STnAHSB 22 1"OSTKACII NHIIHtIS

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   TELEFON OSU/47flllC)0

   TELEX U22H38 TELKCiKAMM HUMHEZ

   DB 408/BREV/Pms
   Prioritätstag: 12.7.1978
   Ital. Anmeldung Nr. 25585 A/78 10594/H/Gu

   Societä Italiana Telecomunicazioni

   Siemens s.P.a.
   Piazzale Zavattari 12, Mailand (Italien)

   Kondensate) rmi krophon

   PATENTANSPRÜCHE

   Λ./ Kondensatormikrophon mit einer Gleichspannungsquelle, die einen Kondensator speist, dessen Kapazität in Abhängigkeit von den Änderungen des auf eine der Kondensatorelektroden . wirkenden Schalldrucks veränderlich ist, dadurch gekennzeichnet, daß in Reihe mit dem Kondensator £c(t)"j eine erste Kapazität (C-) mit positivem Vorzeichen geschaltet ist, mit welcher eine zweite Kapazität (-C₂) in Reihe liegt, die den gleichen Wert wie die erste Kapazität (C₂), jedoch negatives Vorzeichen hat, und daß die Ausgangsspannung fy(t)j an den Enden der ersten und/oder

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   ORIGINAL INSPECTED

   zweiten Kapazität (C₂, "C₂) abgenommen wird.
2. 2. Kondensatormikrophon nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet , daß die Kapazität (-C_) negativen Vorzeichens durch einen Vierpol in Form eines Negativübersetzers (NIC) gebildet ist, dessen Klemmen (la, Ib bzw. 2a, 2b) auf einer Seite in Reihe mit der ersten Kapazität (C_) geschaltet und auf der anderen Seite mit einer dritten Kapazität (C₃) verbunden sind, und daß das Widerstandswandlerverhältnis K des Negativ-Übersetzers (NIC) so gewählt ist, daß -K C^ - -C'ist, wobei -C- und Ct den Wert der zweiten bzw. der dritten Kapazität (-C₂ bzw. C-) darstellen.
3. 3. Kondensatorraikrophon nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die bewegliche Elektrode des veränderlichen Kondensators |_C(t)J aus einer Nylon-Membrane besteht, auf welche eine Schicht leitenden Materials aufgetragen ist.

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