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Kontaktmikrofon zur Aufnahme der menschlichen Sprache
Die
Erfindung bezieht sich auf ein Kontaktmikrofon zur Aufnahme der menschlichen Sprache
durch Körperschall, mit einem Gehäuse, mit einem Piezoelement und mit einem zwischen
dem Piezoelement und dem menschlichen Körper angeordneten Kontaktelement.
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Bei einem bekannten Kontaktmikrofon dieser Art (DE-OS 28 10 716) ist
das Piezoelement in dem Gehäuse zwischen einer seismischen Masse und dem Kontaktelement
angeordnet, so daß dieses Kontaktmikrofon als Beschleunigungsaufnehmer wirkt, der
die beim Sprechen auf der Hautoberfläche entstehende Beschleunigung in ein elektrisches
Signal umwandelt. Als Piezoelement finden bei derartigen Kontaktmikrofonen in vielen
Fällen Piezokeramikmaterialien Verwendung. Ein Hauptproblem beim Aufbau derartiger
Kontaktmikrofone in Form von Beschleunigungsaufnehmern besteht darin, daß die beim
Sprechen auf der Hautoberfläche entstehende extrem niedrige Beschleunigung möglichst
frei von Störgeräuschen in ein elektrisches Signal umzuwandeln ist, obwohl die Beschleunigungswerte
der oeim praktischen Gebrauch auftretenden Störungen höher liegen,als die der aufzunehmenden
Sprache.
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Die Unterdrückung der Störgeräusche stellt daher bei Kontaktmikrofonen
ein wesentliches Problem dar. Durch die Ausgestaltung dieser Kontaktmikrofone als
3eschleunigungsaufnehmer ergeben sich teilweise widersprüchliche Forderungen, wie
hohe Wandlerempfindlichkeit bei hoher Außenschallunempfindlichkeit, guter Frequenzgang
bei niedriger Andruckkraft, mechanisch verlustfreie Lagerung bei hoher Stabilität
und dergleichen, so daß sämtliche Lösungen lediglich Kompromisse darstellen können.
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Ein großer Nachteil derartiger Beschleunigungsaufnehmer besteht bei
der Übertragung der menschlichen Sprache darin, daß die auf die seismische Masse
des Beschleunigungsaufnehmers übertragene Beschleunigung durch die Massenträgheit
des Aufnehmergehäuses reduziert ist. Außerdem verkleinert auch noch die notwendige
schallharte Umhüllung des Aufnehmergehäuses zur Verminderung der Außenschallempfindlichkeit
sowie die Masse mechanischer Befestigungs- und elektrischer Kontakt- und Anschlußelemente
die ßeschleunigungswerte der seismiscnen tasse. Daher wird nur ein kleiner Teil
der maximal zur Verfügung stehenden Beschleunigung
in ein elektrisches
Signal umgewandelt, wodurch besonders die den Hauptteil der Information enthaltenden
höheren Freqaenzen beschnitten werden.
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Damit ein Beschleunigungsaufnehmer der Schwingung auf der Hauptoberfläche
exakt folgen kann, müßte er ähnlich der Membrane eines Luftschallmikrofons praktisch
masselos sein.
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Dies steht jedoch im Widerspruch zu einer für die Sprachübertragung
notwendigen hohen Wandlerempfindlichkeit. Beschleunigungsaufnehmer größerer Masse
sind entsprechend empfindlicher, können jedoch den durch die Haut bedämpften höheren
Frequenzen nicht mehr folgen, so daß nur ein relativ hoher Anpressdruck den Frequenzgang
teilweise ausgleicht; die Tragbarkeit ist dadurch jedoch wesentlich eingeschränkt.
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imine hone Andruckkraft erfordert zusatzlich eine entsprechend stabile
Lagerung, wodurch die auf zunehmende Beschleunigung auf die Lagerung und dessen
Gehäuse übertragen wird und die mechanischen Verluste weiter erhöht werden. Da der
3eschleunigungsaufnehmer über sein Gehäuse Beschleunigungen aufnimmt, werden umgekehrt
auf das zagergehause und die Lagerung einwirkende Erschütterungen, Vibrationen und
Außenschall auf den Beschleunigungsaufnenmer übertragen und zu Störgeräuschen umgewandelt.
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Aus dem Vorstehenden ist zu erkennen, daß derartige Kontaktmikrofone
in Form von Beschleunigungsaufehmern einen komplizierten Aufbau aufweisen, da eine
Vielzahl von sich teilweise widersprecnenden Forderungen erfüllt werden müssen,
ohne daß eine weitgehende Beseitigung von Störgeräuschen möglich ist.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Kontaktmikrofon der
eingangs genannten Art zu schaffen, das bei einfachem Aufbau eine Verringerung der
auftretenden Störgeräusche ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Kontaktmikrofon
einen Kraftaufnehmer bildet.
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Durch die Ausgestaltung des Kontaktmikrofons als Kraftaufnehmer reagiert
dieses hochempfindlich auf kleine Beschleunigungen hoher mechanischer Erregerimpedanz,
unterdrückt jedoch relativ hohe Beschleunigungen mit niedriger mechanischer Erregerimpedanz
und trennt somit das aufzunehmende Sprachsignal von Störgerauschein, die z 3. beim
Verschieben der zwischen Kopf und Kontaktmikrofon und dessen Umgebung befindlichen
Haare entstehen, so daß wegen der geringen Eigenmasse der Haare das Sprachsignal
nicht wesentlich beeinträchtigt wird, im Gegensatz zu 3eschleunigungsaufnehmern,
die die mechanische'Erregerimpedanz der Beschleunigung nicht unterscheiden. Die
beim Sprechen in den Körper, vorzugsweise in Hals und Kopf eingespeiste Schwingungsenergie
wird auf Grund der hohen Massenträgheit des Körpers in eine Körperschwingung sehr
kleiner Beschleunigung, jedoch in eine Schwingung sehr hoher Erregerimpedanz transforniert,
so daß die Energieübertragung in eine mit dem schwingenden Körper verbundene Masse
um so größer ist, je größer diese Masse ist.
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Entsprechend ist gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung
vorgesehen, daß das Gehäuse eine verglichen mit dem Kontakt element und dem Piezoelement
große Masse aufweist und daß das Piezoelement im Inneren des Gehäuses unter Vorspannung
durch das Kontaktelement angeordnet ist.
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Die gegenüber der Gehäusemasse geringe Masse des Kontaktelementes
ermöglicht auch bei höheren Frequenzen eine verlustarme Kraftübertragung zur Erzielung
einer guten Sprachverständlichkeit und bewirkt, daß das Kontaktmikrofon von der
Seite des Gehäuses her unempfindlich gegenüber Beschleunigungen ist. Weiterhin ergibt
sich eine mit der Gehäusemasse praktisch proportional ansteigende Empfidlichkeit,
da die Gehäusemasse den schwingenden Körper dann stärker belastet.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist das Piezoelement
eine langgestreckte Form mit an den Enden
angeordneten elektrischen
Kontaktflächen auf, die am Gehäuse bzw. am Kontaktelement abgestützt sind, und das
Kontaktelement besteht aus federnd elastischem Material und weist eine quer zur
Längsachse des Piezoelements verlaufende tiefe Ringnut auf, die einen auf das Gehäuse
gerichteten und an diesem befestigten federnden Befestigungsflansch abgrenzt, der
die Vorspannung des Piezoelementes bewirkt. Dieser federnde Befestigungsflansch
verbindet die Einzelteile des Kontaktmikrofons zu einer starren Einheit. Das Material
des Kontaktelementes ist so ausgewählt, daß es zwar nicht zusammendrückbar ist,
daß es jedoch in einer entsprechend geringen Stärke, wie beispielsweise am Befestigungsflansch,
federnde Eigenschaften aufweist. Durch die langgestreckte Form des Piezoelementes
ergibt sich eine geringe Kapazität und damit eine hohe Ausgangsspannung des Piezoelementes.
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Die Abmessungen des Piezoelementes quer zu seiner Längsachse entsprechen
zur Erzielung einer geringen Kapazität vorzugsweise denen der elektrischen und mechanischen
Kontaktflächen, wobei der Abstand zwischen diesen Kontaktflächen möglichst groß
sein sollte.
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Die mit dem menschlichen Körper in Berührung kommende Fläche des Kontaktelementes
ist vorzugsweise wesentlich größer als die Querschnittsfläche des Piezoelementes
quer zu seiner Längsrichtung. Auf diese Weise ergibt sich durch Druckverstärkung
eine hohe Wandlerempfindlichkeit, und durch die Verwendung der Ringnut ist der den
Körper berührende Teil des Kontaktelementes nur über den im Verhältnis zur Kontaktfläche
kleinen und durch den Boden der Ringnut umgrenzten Bereich befestigt, so daß auch
bei einer möglichen Randauflage des Kontaktelementes an dem Körper die Kraft nur
auf das Piezoelement übertragen wird.
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Damit der Kraftfluß vom Körper in die ;3häusemasse des Kontaktmikrofons
auch bei höheren Frequenzen, die durch die menschliche Haut stark bedämpft werden,
gewährleistet ist, ist die Masse des Kontaktelementes, dessen Massenträgheit mit
der Elastizität der Haut bei leichtem Andruck einem Tiefpaß gleicht, viel kleiner
als die Gehäusemasse, da das Gehäuse vorzugsweise aus einem Metall möglichst hoher
spezifischer Wichte besteht. Da die Masse des Kontaktelementes gegenüber der Masse
des Gehäuses klein ist, ist der Kraftfluß von dem Gehäuse zum Kontaktelement entsprechend
klein, so daß durch die Lagerung bzw. den Einbau auf das Gehäuse übertragene Beschleunigungen
auch durch die Massenträgheit des Gehäuses weitgehend unterdrückt werden.
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Störender Außenschall wird vorzugsweise dadurch kompensiert, daß das
Volumen des Kontaktmikrofons durch Bohrungen im Gehäuse und im Kontaktelement schalldurchlässig
ist, so daß sich Druckdiffegrenzen, die auf ein geschlossenes Volumen einwirken
und über das Kontaktelement auf das Piezoelement übertragen würden, ausgleichen
kennen. Dadurch entfällt eine Schallisolation oder eine Verkapselung des Kontaktmikrofons.
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Am Gehäuse des Kontaktmikrofons ist am Umfang eine Nut oder ein Flansch
vorgesehen, der zur Aufhängung des Kontaktmikrofons in eine membranartige Gummilagerung
vorgesehen ist. Die Massenträgheit dieser Lagerung steigert die Wandlerempfindlichkeit
des Kontaktmikrofons zusätzlich, da hierdurch die wirksame Masse des Gehäuses vergrößert
wird, was im Gegensatz zu der Wirkung bei Kontaktmikrofonen in Form von Beschleunigungsaufnehmern
steht.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung
ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung noch näher erläutert.
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In der Zeichnung ist ein Querschnitt durch eine Ausführungsform des
Kontaktmikrofons dargestellt. Dieses Kontaktmikrofon weist ein Gehäuse 4 auf, in
dem ein Piezoelement 2 mit seiner Längsachse koaxial zur Symetrieachse des Gehäuses
in einer Ausnehmung 4c angeordnet ist. Dieses Piezoelement 2 stützt sich an einer
Seite über eine in der Ausnehmung 4c angeordnete Schaltungsplatine 3 an dem Gehäuse
4 und auf der anderen Seite an einem Kontaktelement 1 ab, das mit dem menschlichen
Körper in Berührung kommt.
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Die Schaltungsplatine 3 ist auf der dem Piezoelement 2 gegenüberliegenden
Seite lediglich durch einen Vorsprung 4d des Gehäuses 4 mit einem im Querschnitt
des Piezoelementes 2 entsprechenden Querschnitt abgestützt.
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Ein Teil der beim Sprechen in den Körper eingespeisten Schwingungsenergie
wird daher durch leichten Andruck des Kontaktelementes 1 des Kontaktmikrofons auf
den Körper über das Kontaktelement 1, das Piezoelement 2 und die Schaltungsplatine
3 auf
das Gehäuse 4 übertragen und das elektrische Signal an den
Einspann- bzw. Kontaktflächen des Piezoelementes wird nach Entzerrung und Verstärkung
durch einen auf der Schaltungsplatine 3 aufgebauten Entzerrerverstärker mit Leitungen
nach außen geleitet. Die mit der Gehäusemasse praktisch proportional steigende Empfindlichkeit
ist um so größer, je mehr die Gehäusemasse den schwingenden Körper belastet.
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Damit das Kontaktmikrofon über mehrere Stunden beschwerdelos getragen
werden kann, wird der notwendige Kraftschluß bei leichtem Andruck durch ein ausreichend
großflächiges, leicht balliges Kontaktelement 1 hergestellt. Um durch Druckverstärkung
eine hohe Wandlerempfindlichkeit zu erreichen, ist die Querschnittsfläche des langgestreckten
Piezoelementes mit an den Enden angeordneten elektrischen Kontaktflächen sehr viel
kleiner als die den Körper berührende Kontaktfläche des Kontaktelementes 1. Dieses
Kontaktelement 1 weist weiterhin eine tiefe Ringnut 1b auf, deren Boden einen Bereich
5 umgrenzt, der den am Körper anliegenden Teil des Kontakt elementes 1 mit einem
3efestigungsflansch la verbindet, der an dem Gehäuse 4 befestigt ist. Für das Kontaktelement
1 wird ein nichtzusammendrückbaresljedoch bei ausreichend geringer Stärke federnd
elastisches Material verwendet, so daß dieser 3efestigungsflansch la gleichzeitXg
die elastische Vorspannung des Piezoelementes 2 ergibt. Dadurch, daß der den Körper
berührende Teil des Kontaktelementes 1 nur durch den Bereich 5 befestigt ist, wird
auch bei einer möglichen Randauflage die Kraft nur auf das Piezoelement übertragen.
Die Gesamtmasse des Kontaktelementes 1 ist verglichen mit der Masse des Gehäuses
4 sehr gering und dieses Gehäuse 4 besteht entsprechend aus einem metall mit möglichst
hoher spezifischer Wichte.
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Zur Kompensation von störendem Außenschall weisen das Gehäuse 4 und
vorzugsweise auch der Befestigungsflansch la Bohrungen 4a bzw. lc auf, so daß der
Innenraum schalldurchlässig ist und sich deshalb Druckdifferenzen ausgleichen tonnen,
ohne daß sie auf das Piezoelement übertragen werden. Damit kann eine Schallisolation
bzw. eine nur mit challharten Werkstoffen aufzubauende Verkapselung des Kontaktmikrofons
entfallen. Diese Bohrungen können
zur Abdichtung gegen Fremdkorper
und Feuchtigkeit durch nichtdargestellte schalldurchlässige Membranringe aus dünnem
Silicon material oder ähnlichen Material abgedeckt sein.
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Auf Grund der Tatsache, daß der menschliche Körper durch die Zlastizität
der Haut tiefe Frequenzen bevorzugt auf ein Kontaktmikrofon bertrsgt, werden die
höheren Frequenzen beschnitten, so daß eine Frequenzgangkorrektür für eine gute
Sprachverständlichkeit erforderlich ist. Zu diesem Zweck ist ein Hochpaß erster
Ordnung, der zur Erzielung einer möglichst rauscharmen Obertragung hochohmig dimensioniert
ist, und dessen Kapazität durch das Piezoelement 2 gebildet ist, auf der Schaltungsplatine
3 vorgesehen. Die Kapazität des Piezoelementes ist auf Grund seiner erheblichen
Länge und der Anbringung der Kontakt flächen an den Schmalseiten sehr gering, so
daß sich eine hohe Ausgangsspannung ergibt.
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Das Gehäuse 4 des Kontaktmikrofons ist am Umfang mit einer ;4ut 4b
versehen, die zur Aufhängung in einer membranartigen Gummilagerung vorgesehen ist.
Die Massenträgheit dieser Lagerung steigert auf Grund der Vergrößerung der wirksamen
Masse des Gehäuses 4 zusätzlich die Wandlerempfindlichkeit des Kontaktmikrofons.
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Die dem Piezoelement 2 zugewandte Seite des Kontaktelementes 1 ist
metallisiert und dient zur elektrischen Masseverbindung des Piezoelementes mit dem
Gehäuse und zur Abschirmung elektrischer Felder.
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Die Schaltungsplatine 3 ist durch im Zentrum angeordnete Kontakt flächen
auf der 3auteil- und Bauteilrückseite zwischen dem Piezoelement und dem Gehäuse
4 bzw. dem Vorsprung 14d zur mechanischen Befestigung eingeklemmt, wobei das elektrische
Signal des Piezoelementes auf die Schaltungsplatine und die Masseverbindung über
den Vorsprung 4d auf das Gehäuse 4 geleitet wird.
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Die elektrische Spannungszuführung und eiterleitung der Signale des
auf der Schaltungsplatine angeordneten Verstärkers im Kontaktmikrofon wird durch
verlängerte Bauteilanschlußdrähte erzielt,
die nach außen auf eine
zweite mit dem Gehäuse 4 starr verbundene Platine 6 geführt sind, so daß durch externe
Anschlußdrähte übertragene oder erzeugte mechanische Störsignale nicht unmittelbar
auf das Piezoelement gelangen, sondern auf das beschleunigungsunempfindliche Gehäuse
4 übertragen werden.
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