DE2928203C3 - Kondensatormikrophon - Google Patents

Description

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derlich, und seine zeitabhängige Gesamtkapazität hat unter der Annahme eines simusförmigen Schalldruckes den Wert

C(O

sin ωί,

wobei C den Wert der statischen Kapazität darstellt und C\ dem Kapazitätsänderungsbereich entspricht, der in Abhängigkeit von den Schalldruckänderungen erzielbar ist E& läßt sich zeigen (siehe »Physical Review«, 1917, Vol. X - Nr. 1, Seite 39), daß folgende Differentialgleichung dem elektrischen Gleichgewicht des Ersatzschaltbildes des bekannten elektrischen Gleichgewicht des Ersatzschaltbildes des bekannten Kondensatormikrophons entspricht, das durch eine

sinusförmige Schallwelle mit der Frequenz /= —

erregt wird:

1) (Q+ C₁ sinwt)R —- +(l+/?C,<ycos<a/)i' + £C,<wcos<y/ = 0,

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

sich ferner zeigen, daß die Lösung dieser

2) ; =Σ I„ s\n (πωι + Φ_π). n =1,2,3,.. Für die ersten zwei Glieder der Summe ergibt sich:

EC,

sin (int + q>\)

EO_xR

sin (2ωI + φ\ -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)

C₁R

hat, der zu —77- wird, wenn

10

2Ä>

Ein Nachteil der Kondensatormikrophone bekannter Art besteht darin, 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)ein sehr niedriges Verhältnis —- haben kann

Q)

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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 Mikrophon beseitigt das an sich in einer von der klassischen Form abweichenden Niederfrequenzschaitung betrieben wird. Die Kapselkapazität wirkt bei der bekannten Schaltung 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?Cl D)COS Ü>£

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

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 Wert entgegengesetzten Vorzeichens aufweisen, ist ihre Gesamtwirkung auf den Stromfluß gleich NuIL

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

Fig. 1 das Ersatzschaltbild eines Kondensatormikrophons bekannter Art,

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

F i g. S das reale Ersatzschaltbild des Kondensatormikrophons,

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

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

Be: 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 E 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)= -EC\ ω cos mt

fließt welcher nach Multiplikation mit einer kapazitiven Reaktanz—ein unverzerrtes sinusförmiges Signal ergibt, dessen Amplitude etwa mit der Größe der Spannung £ übereinstimmt

Aus dem realen Ersatzschaltzbild des Kondensatormil'.o^hons nach Fig.3 ist ersichtlich, daß eine erste und eine zweite Kapazität C₂ bzw. - C₂ miteinander und mit dem Kondensator C(t) in Reihe geschähet sind und den gleichen Wert, aber entgegengesetztes Vorzeichen haben. An den Enden der Kapazität - C₂ entsteht eine Spannung

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die unverzerrt 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 - Ci den gleichen Wert und entgegengesetztes Vorzeichen haben, wird die Gesamtreaktanz zu Null, so daß das reale Ersatzschaltbild nach Fig.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 MC(worunter ein Vierpol in Form eines Widerstands- s wandlers zur Bildung negativer Widerstände zu verstehen ist), dessen Klemmen Xa und Xb 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 Schal- ι ο tungsanordnung verhält sich so, als ob an den Klemmen Xa und 16 des Negativübersetzers WC eine Kapazität (- C₂) mit negativem Vorzeichen angeschlossen wäre.

Bei dieser Schaltungsanordnung kann der Negativübersetzer NICiiber die Kapazität Cj einen Strom

h(t)" KEC, ω cos ω I

fließen lassen, wobei K das Wandlerverhältnis des Negativübersetzers W/Cdarstellt. Die an den Polen der Kapazität Cj erzeugte Spannung beträgt also

KEC₁

cos ωΐ,

Ii

die ersichtlich keine Oberschwingungen aufweist und eine Amplitude hat, die vom Wert der Kapazität Cj und vom Wandlerverhältnis K abhängig ist Wird eine Kapazität C₂ mit gleichem Wert wie die dynamische Kapazität Ci und ein Wandlerverhältnis K= 1 gewählt, jo so beträgt die an den Polen der Kapazität C₃ entstehende Spannung

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 NIC von -l)i dann ist die Amplitude der Spannung K₂ selbstverständlich größer bzw. kleiner als die Gleichspannung E

F i g. 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 befriedigenden Grenzen gehalten werden können.

Die Wirkungsweise des Negativübersetzers ΛΖ/Cmuß 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 Rj vorgesehen ist, der in Reihe mit den Widerständen R\ und R₃ liegt Mit dem Widerstand A₂ läßt sich das Wandlerverhältnis K des Negativübersetzers NlC verändern. Diese Eigenschaft kann dazu genutzt werden, die Werte der Kapazitäten C₂ und — C₂ aneinander anzugleichen. Im Rahmen der Erfindung kann der Wert der Kapazität C₃ von der Kapazität C₂ erheblich abweichen und ein Negativübersetzer NIC verwendet werden, dessen Wandlerverhältnis so eingestellt ist, daß an den Klemmen 1 a und \b eine Kapazität - K~² ■ C₃- - C₂ wiederhergestellt wird.

Das hier beschriebene, erfindungsgemäß realisierbare Kondensatormikrophon ist wesentlich wiedergabetreuer und auch empfindlicher als die bekannten Kondensatormiicfophone. Im Frequenzbereich von einigen Hz bis zu einigen Zehn kHz ist ein konstantes Verhältnis zwischen Schalldruck und Spannung zu erreichen. Daher ist das Kondensatormikrophon auch gut als elektroakustischer Wandler bei Fernsprechgerlten 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 weiche eine Schicht leitenden Materials aufgetragen ist

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

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 [Cffjfl eine erste Kapazität (C₂) 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 [vi(t)\ an den Enden der ersten oder zweiten Kapazität (C₂, — C₂) abgenommen wird.

2. Kondensatormikrophon nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapazität negativen Vorzeichens (— C₂) durch die Eingangsimpedanz

zwischen den Klemmen (la, Xb) eines Vierpols in

Form eines Negativübersetzers (NIC) gebildet wird,

dessen Ausgangsklemmen (2a, 2b) mit einer dritten

Kapazität (G) verbunden sind, und daß das

Widerstandswandlerverbältnis K des Ne^ativüber-

setzers (NIC) so gewählt ist, daß -K-² C₃= -C₁ ist, wobei -C₂ und C₃ den Wert der zweiten bzw. der dritten Kapazität (—C₂ bzw. G) darstellen.

3. Kondensatormikrophon nach Anspruch 1 oder

2, dadurch gekennzeichnet, daß die bewegliche

Γ5 Elektrode des veränderlichen Kondensators [QtJ]

aus einer Nylon-Membrane besteht, auf weiche eine

Schicht leitenden Materials aufgetragen ist

Die Erfindung bezieht sich auf ein Kondensatormikrophon 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 Kondensatormikrophone bestehirt im allgemeinen aus einem elektrischen Netzwerk, das in Reihe geschehet einen Kondensator, eine Quelle für eine im folgenden mit E bezeichnete Gleichspannung und einen fe". 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 verän-