DE2928203B2 - Kondensatormikrophon - Google Patents

Description

15 ven Vorzeichens (- C₂) durch die Eingangsimpedanz zwischen den Klemmen (la, \b) eines Vierpols in Form eines Negativübersetzers (NIC) gebildet wird, dessen Ausgangsklemmen (2a, 2b) mit einer dritien Kapazität (Gs) verbunden sind, und daß das Widerstandswandlerverhältnis K des Negativübersetzers (NIC) so gewählt ist, daß -K~² C₃ = -C₂ ist, wobei - C₂ und C₃ den Wert der zweiten bzw. der dritten Kapazität (- C₂ bzw. C₃) darstellen.

3. Kondensatormikrophon nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die bewegliche Elektrode des veränderlichen Kondensators \C(tJ[ aus einer Nylon-Membrane besteht, auf welche eine Schicht leitenden Materials aufgetragen ist

Die Erfindung bezieht sich auf ein Kondensatormikrophon nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Kondensatormikrophone finden als elektroakustisch^ 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 Kondensatormikrophone 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 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 simusförmigen Schalidruckes den Wert

Qy= Co+ Ci sincoi,

wobei Co den Wert der statischen Kapazität darstellt und Ci de:a Kapazitätsänderungsbereich entspricht, der

j« in Abhängigkeit von den Schalldruckänderungen erziclbar 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 elektrischen

J5 Gleichgewicht des Ersatzschaltbildes des bekannten Kondensatormikrophons entspricht, das durch eine

sinusförmige Schallwelle mit der
erregt wird:

Frequenz /= —

1) (C_n+ C₁ sin<yr) R —- +(1 + RC₁ g>cos ω I) i + E C, ω cos ω I = 0,

wobei / den im Netzwerk fließenden Strom darstellt. Es läßt Differentialgleichung sich wie folgt ergibt:

sich ferner zeigen, daß die Lösung dieser

2) ' = Σ /_nsin(/i<y/+ 0„). //=1,2,3,... Für die ersten zwei Glieder der Summe ergibt sich:

3)

EC_x

sin (mi + ψ\)

EC]R

sin (2 ω ι + ψ\ -φι)

+ Glieder höherer Ordnung.

Aus der Gleichung 2) geht hervor, daß das durch das betreffende Mikrophon erhaltene elektrische Signal zahllose Oberschwingungen aufweist, die unerwünscht sind, weil sie die Schallwiedergabetreue durch das Mikrophon vermindern. Aus der Gleichung 3) läßt sich ferner feststellen, daß das Amplituden-Verhältnis

zwischen der ersten Oberschwingung und der Grundschwingung nicht vernachlässigbar ist und den Wert

4)

C₁Λ

+ AR¹

hat, der zu

2R>

wird, wenn

C₀ ω

Ein Nachteil der Kondensatormikrophone bekannter Art besteht dhrin, daß sie eine ziemlich hohe Vorspannung (E= 50 bis 100 V) erfordern, wenn ein nennenswertes Nutzsignal am Ausgang verfügbar sein soll, weil bei derartigen Mikrophonen die maximale

Amplitude der Ausgangsspannung den Wert Vs E—^-

Q hat. Da in der Praxis der veränderliche Kondensator

C(t)em sehr niedriges Verhältnis —7-haben kann

ist in diesem Fall die maximale Amplitude der Ausgangsspannung ν ein sehr kleiner Bruchteil der Gleichspannung E

Die bekannten Kondensatormikrophone liefern also entweder kleine Spannungen bei relativ geringer Verzerrung oder große Spannungen mit entsprechend großer Verzerrung. Dieses Problem wird auch nicht bei einem aus der DE-OS 20 20 739 bekannten kapazitiven Mikrophovi beseitigt, das an sich in einer von der klassischen Form abweichenden Niederfrequenzschaltung betrieben wird. Die Kapselkapazität wirkt bei der bekannten Schiltung auf eine sehr kleine Impedanz statt auf einen großen ohmschen Widerstand, und der durch die Kapsel fließende Strom durchläuft einen kapazitiven Spannungsteiler.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein die erläuterten Nachteile vermeidendes Kondensatormikrophon anzugeben, dessen Ausgangssignalspektrum 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.

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 =-EQ ω cos wt

Wird dieser Strom mit einer kapazitiven Reaktanz — multipliziert, so erhält man eine Spannung

= ΐ EQcos ω ι

gewünschte Zweck erreicht ist Der Widerstand R, der ursprünglich erforderlich war, um ein dem Strom / proportionales Signal abgreifen zu können, wird durch die beiden (die Gleichspannung an den veränderlichen Kondensator anlegenden) Kapazitäten ersetzt; da diese miteinander in Reihe geschaltet sind und gleichen Wen entgegengesetzten Vorzeichens aufweisen, ist ihre Gesamtwirkung auf den Stromfluß gleich Null.

Ein besonderer Vorteil des hier beschriebenen Kondensatormikrophons ist seine besonders einfache Schaltungsanordnung, die problemlos auch als integrierte Schaltung realisierbar ist

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der folgenen Beschreibung eines nicht einschränkenden Ausführungsbeispiels. In der Zeichnung zeigt

F i g. 1 das Ersatzschaltbild eines Kondensatormikrophons bekannter Art,

F i g. 2 das prinzipielle Ersatzschaltbild eines Kondensatormikrophons der hier beschriebenen Art,

F i g. 3 das reale Ersatzschaltbild des Kordensatormikrophons,

F i g. 4 eine praktische Ausführungsform des Kondensatormikrophons nach F i g. 3, und

F i g. 5 das Kondensatormikrophon nach F i g. 4 mit den zu seiner Realisierung führenden Bauelementen.

Bei dem bekannten Kondensatormikrophon nach F i g. 1 wird an die Elektroden des veränderlichen Kondensators C(t) eine Gleichspannung E über 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 Oberschwingungen aufweist, während die Grundschwingung eine Amplitude hat, die nur ein geringer Bruchteil der Gleichspannung £ ist. Bekanntlich ist die Wiedergabetreue eines elektroakustischen Wandlers um so geringer, je höher der Pegel und die Zahl der Oberschwingungen ist die er zusätzlich zu der Grundfrequenz des erregenden akustischen Signals erzeugt.

Wie aus dem in F i g. 2 dargestellten Prinzip-Ersatzschaltbild des erfindungsgemäß realisierten Kondensatormikrophons ersichtlich ist, wird der Widerstand R weggelassen, damit ein Strom

i(t)= — EQ ω cos eof
fließt, welcher nach Multiplikation mit einer kapazitiven

Reaktanz—ein unverzerrtes sinusförmiges Signal erwC

gibt, dessen Amplitude etwa mit der Größe der Spannung E übereinstimmt.

Aus dem realen Ersatzschaltzbild des Kondensatormikrophons nach F i g. 3 ist ersichtlich, daß eine erste und eine zweite Kapazität Ci bzw. — C? miteinander und mit dem Kondensator Qt) in Reihe geschaltet sind und den gleichen Wert, aber entgegengesetztes Vorzeichen haben. An den Enden der Kapazität — C2 entsteht eine Spannung

bO

b5 = EC] ω cos ω t

1
Ci ω

die unverztfrrt ist und eine Amplitude mit der Größe C der Spannung E hat (wenn C=Ci), wodurch der Da die kapazitiven Reaktanzen der Kapazitäten C2 und — Cn den gleichen Wert und entgegengesetztes Vorzeichen haben, wird die Gesamtreaktanz zu Null, so daß das reale Ersatzschaltbild nach F i g. 3 sich ähnlich verhält wie das Prinzip-Ersatzschaltbild der F i g. 2.

In F i g. 4 ist eine mögliche Schaltung zur Realisierung der im Ersatzschaltbild der F i g. 3 enthaltenen negativen Kapazität dargestellt. Die negative Kapazität erzielt man durch einen sogenannten Negativübersetzer NiC(worunter ein Vierpol in Form eines Widerstandswandlers zur Bildung negativer Widerstände zu verstehen ist), dessen Klemmen la und 16 auf der einen Seite in Reihe mit der Kapazität C₂ geschaltet sind und dessen Klemmen 2a und 2b auf der anderen Seite an die Kapazität C₃ angeschlossen sind. Eine solche Schaltungsanordnung verhält sich so, als ob an den Klemmen la und 16 des Negativübersetzers /V/Ceine Kapazität (— C₂) mit negativem Vorzeichen angeschlossen wäre.

Bei dieser Schaltungsanordnung kann der Negativübersetzer /V/Cüber die Kapazität Ci einen Strom

h(t)"*K.EC·, ω cos ajf

fließen lassen, wobei K das Wandlerverhältnis des Negativübersetzers N/C darstellt. Die an den Polen der Kapazität C₃ erzeugte Spannung beträgt also

cos ωΐ,

C₃

die ersichtlich keine Oberschwingungen aufweist und eine Amplitude hat, die vom Wert der Kapazität C3 und vom Wandlerverhältnis K abhängig ist. Wird eine Kapazität Ci mit gleichem Wert wie die dynamische Kapazität Ci und ein Wandlerverhältnis K= 1 gewählt, so beträgt die an den Polen der Kapazität C3 entstehende Spannung

V₂=E COSWt

so daß die maximale Amplitude des Nutz- oder Ausgangssignals mit der Gleichspannung E der Spannungsquelle übereinstimmt Wenn eine Kapazität C3 gewählt wird, deren Wert kleiner bzw. größer ist als derjenige der dynamischen Kapazität C\ (bei einem Wandlerverhältnis K des Negativübersetzers WC von — 1), dann ist die Amplitude der Spannung v₂ selbstverständlich größer bzw. kleiner als die Gleichspannung E

Fig. 5 sind die Einzelheiten einer bevorzugten Schaltungsanordung 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

ι ο befriedigenden Grenzen gehalten werden können.

Die Wirkungsweise des Negativübersetzers NlCmuß hier nicht 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 A₂ vorgesehen ist, der in Reihe mit den Widerständen R, und A₃ liegt. Mit dem Widerstand A₂ läßt sich das Wandlerverhältnis K des Negativübersetzers NIC verändern. Diese Eigenschaft kann dazu genutzt werden, die Werte der Kapazitäten Ci und — Ci aneinander anzugleichen. Im Rahmen der Erfindung kann der Wert der Kapazität C₃ von der Kapazität Ci erheblich abweichen und ein Negativübersetzer NIC verwendet werden, dessen Wandlerverhältnis so eingestellt ist, daß an den Klemmen la und 16eine Kapazität — K~² ■ C3 = — Ci wiederhergestellt wird.

Das hier beschriebene, erfindungsgemäß realisierbare Kondensatormikrophon ist wesentlich wiedergabetreuer und auch empfindlicher als die bekannten Kondensatormikrophone. Im Frequenzbereich von einigen Hz bis

ω zu einigen Zehn kHz ist ein konstantes Verhältnis zwischen Schalldruck und Spannung zu erreichen. Daher ist das Kondensatormikrophon auch gut als elektroakustischer Wandler bei Fernsprechgeräten geeignet.

j5 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

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. 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(tJ\ eine erste Kapazität (Ci) mit positivem Vorzeichen geschaltet ist, mit welcher eine zweite Kapazität (-C₂) in Reihe liegt, die den gleichen Wert wie die erste Kapazität (Ci), jedoch negatives Vorzeichen hat, und daß die Ausgangsspannung [}'\(t)\ an den Enden der ersten oder zweiten Kapazität (Ci, — Ci) abgenommen wird.

2. Kondensatormikrophon nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapazität negati-

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