DE3312326A1 - Membran fuer mikrophone - Google Patents

Description

AKG Akustische u. Kino-Geräte Gesellschaft m.b.H., A 1150 Wien, Brunhildengasse 1, / Österreich

Membran für Mikrophone

Die Erfindung betrifft eine Membran für Mikrophone nach dem elektrostatischen oder elektrodynarrisehen Prinzip mit ausgeprägter Richtcharakteristik, insbesondere mit Nieren-, Supernieren-, Hypernieren-, achterförmiger od.dgl. Charakteristik, "welche gespannte Membran, eine Dicke von unter 8 ,mn und einen Durchmesser von höchstens 10 mm aufweist.

Aus der PE-PS 4^2 9^1 j.st eine sogenannte resonanzfreie Membran bekannt geworden, bei der auf einer dünnen, nicht gespannten Haut aus Gummi od.dgl. Kohlekörner verschiedener Größe aufgeklebt sind. Die Dicke der Gummihaut ist mit 0,1 mm angegeben. Eine solche Membran ist nur für Kohlemikrophone verwendbar. Die DE-OS 30 11 056 befaßt sich mit einer Formmasse, die unter anderem auch für Membranen elektroakustischer Wandler geeignet sein soll. Insbesondere handelt es sich bei der bekannten Formmasse um eine Kunststoffmischung, der gegebenenfalls ein Zusatz aus Acrylnitril-Butadien-Gummi (etwa 20/o der Gesamtmasse) beigemischt werden kann. Da aus dieser Formmasse auch Tonarme, Gehäuse u.dgl. geformt werden können, handelt es sich hier nicht um ein elastisches Membranmaterial. Mit den vorstehend beschriebenen Membranen des bekannten Standes der Technik ist es praktisch unmöglich, elektrostatische oder elektrodynamische Mikrophone der eingangs beschriebenen Art herzustellen. Im ersten Falle handelt es sich um eine Membran, die ausschließ-

1ich nur für Kohlemikrophone verwendbar ist, und im zweiten Falle um eine Formmasse, die nur für Lautsprechermembranen geeignet ist.

Die Erfindung betrifft hingegen Mikrophone mit besonderer Richtwirkung, die mit einer Membran der eingangs beschriebenen Art ausgerüstet sind. Diese Mikrophone haben im Bereich der hörbaren Frequenzen von 20 Hz bis 20 kHz, wenn der Schall senkrecht von vorne auf das Mikrophon auftrifft, einen ausschließlich horizontal verlaufenden Frequenzgang.

Bei Druckgradientenempfänger, die eine der eingangs genannten Richtcharakteristiken aufweisen, sind jedoch., je nachdem, ob es sich um einen elektrostatischen oder einen elektrodynamischen Schallempfänger handelt, Membranen mit unterschiedlichen akustischen Eigenschaften erforderlich. Elektrostatische Mikrophone benötigen eine Membran, deren Eigenresonanz etwa zwischen 1000 Hz und 15OO Hz liegt. Bei Mikrophonen nach dem elektrodynamischen Wandlerprinzip soll für einen guten Frequenzgang die Eigenresonanz der Membran am unteren Ende des zu übertragenden Frequenzbereiches liegen. Außerdem wird gefordert, daß die Membranen eine geringe Masse und einen sehr niedrigen Elastizitätsmodul aufweisen. Eine geringe Membranmasse ist aber auch notwendig, um bei Mikrophonen nach dem elektrostatischen Prinzip den Übertragungsbereich bis zu den höchstens vom Mikrophon zu übertragenden Frequenzen hin auszudehnen. Eine geringe Membranmasse vermindert überdies die Empfindlichkeit des Mikrophons gegenüber mechanischen Erschütterungen und schockartig auf das Mikrophon einwirkenden Stoßen und Schlagen.

Für Mikrophone nach dem elektrostatischen Prinzip, die auch als Kondensatormikrophone bezeichnet werden, hat man bisher Membranen aus dünnen Polyester- oder PoIycarbonatfolien verwendet, deren Materialstärke 3 bis 6/um beträgt. Solche Kunststoffolien werden musterartig geprägt, um ihre Biegefestigkeit herabzusetzen und ihre Flexibilität zu erhöhen. Der Elastizitätsmodul als Maß

für die Elastizität eines Materials beträgt für die genannten Kunststoffolien etwa 0,02.10-^2. Mit dieser Art von Membranen können Membranresonanzen, deren Frequenzen bei etwa 1500 Hz liegen, nur dann realisiert werden, wenn der Membrandurchmesser nicht kleiner als 15 mm wird. Für Membrandurchmesser, die darunter liegen, steigt die Resonanzfrequenz annäherndlinear zur Abnahme des Durchmessers an, so daß beispielsweise für einen Membrandurchmesser kleiner als 10 mm die Membranresonanz über 2000 Hz ansteigt. Kondensatorrichtmikrophone, deren Membranresonanz oberhalb von 2000 Hz liegt, weisen jedoch einen kontinuierlichen Pegelabfall im Bereich der niedrigen Frequenzen auf, der bei 100 Hz gegenüber dem 1000 Hz-Pegel bis zu 20 dB betragen kann. Das bedeutet aber eine wesentliche Einschränkung des Übertragungsbereiches und somit eine Verschlechterung der Wandlerfunktion.

Sehr dünne Kunststoffolien, vor allem Folien, die aus Polycarbonat hergestellt sind und eine Materialstärke unter 8 /Um aufweisen, besitzen aufgrund des Herstellungsverfahrens eine unterschiedliche Feinstruktur, die in der gereckten Gußfolie in unsymmetrischer, kristalliner Form aufscheint. Als Folge davon weist der Elastizitätsmodul in verschiedenen Richtungen in der Materialebene unterschiedliche Werte auf. Das bedeutet, daß eine solche Folie, wenn sie als Membran in einen elektroakustischen Wandler eingesetzt ist, in unterschiedlichen Richtungen verschiedene Zugfestigkeiten aufweist und keine nach allen Richtungen gleichmäßige innere Spannung6~ besitzt. Eine derartige unregelmäßige innere Verspannung der Membran kann die Ursache für Asymmetrien im Richtdiagramm des Mikrophons sein. Mit anderen Worten ausgedrückt, ist das Richtdiagramm eines rotationssymmetrischen Mikrophons mit einer Membran, deren innere Spannungen unregelmäßig verlaufen, nicht rotationssymmetrisch, und die in den einzelnen Meridianebenen vorhandenen Richtdiagramme sind nicht deckungsgleich. Das bedeutet hinsichtlich der Aufnahmequälität eines Mikrophons einen großen Nachteil.

Für Mikrophone nach dem elektrodynamischen Prinzip, und hier ganz besonders für orthodynamische Mikrophone mit auf der Membranoberfläche aufgebrachten Leiterbahnen, erweist es sich aus den gleichen Gründen wie für das Kondensatormikrophon als vorteilhaft, eine gleichermaßen beschaffene Membran einzusetzen. Hiebei ist allerdings die Forderung nach einer tiefen Eigenresonanz der Membran bei sehr kleinem Durchmesser weitaus kritischer, muß sie doch am tieffrequenten Ende des Übertragungsbereiches liegen, demnach also bei etwa 150 Hz.

Die Erfindung hat sich das Ziel gesetzt, eine Membran zu schaffen, die die vorstehend geschilderten Nachteile nicht aufweist. Erreicht wird dieses Ziel dadurch, daß die Membran aus einem elastisch dehnbaren Material auf Kautschukbasis besteht und eine Eigenresonanz von höchstens 1200 Hz bis 15OO Hz aufweist.

Der Verteil, der sich durch die Verwendung eines solchen Materials ergibt, ist darin zu sehen, daß der Elastizitätsmodul desselben kleiner als der von den bisher verwendeten Polyester- oder Polycarbonatfolien ist und gleichzeitig infolge der hohen Flexibilität auch eine gute Bedämpfung der schwingenden Membran bewirkt. Der sehr niedrige Wert des Elastizitätsmoduls für Materialien auf Kautschukbasis ermöglicht es, sehr dünne Membranen mit einem Durchmesser kleiner als 10 mm herzustellen, die bei ihrer äußerst geringen Membranmasse eine Membranresonanz unterhalb von 1200 Hz besitzen. Dadurch kann nun ein Kondensatorrichtmikrophon mit horizontalem Frequenzverlauf im Frequenzbereich von 20 Hz bis 20 kHz und mit kleinsten Außenmaßen realisiert werden, die weit unterhalb jener liegen, die bisher bei Kondensatormikrophonen gleicher Güte möglich waren.

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Hinzu kommt noch der große Vorteil der höheren Dehnbarkeit des Kautschuks gegenüber der von Kunststoffolien, mit bis zu 4-00% bei Kautschuk, im Vergleich zu etwa 10% bei Kunststoff. Ein weiterer Vorteil liegt in der hervorragenden Richtungshomogenität von Kautschuk, die es gestattet, Mikrophonmembranen zu erzeugen, deren innere Spannung nach allen Richtungen gleich ist, wodurch insbesondere eine kreisförmige Membran mit kreisförmiger Randeinspannung in beliebiger radialer Richtung stets die gleiche innere Spannung C besitzt. Eine solchermaßen gespannte Membran zeigt ein so gleichförmiges Schwingungsverhalten, daß das Richtdiagramm des Mikrophons streng rotationssymmetrisch ist, was mit den bisher verwendeten Materialien für Mikrophonmembranen nicht erreicht werden konnte. Ein sehr wesentlicher Vorteil der geringen Biegefestigkeit der aus Materialien auf Kautschukbasis hergestellten Membranen zeigt sich in einem wesentlich homogeneren Schwingungsverhalten der Membran bei hohen Frequenzen, was vor allem zu einem sehr glatt verlaufenden Frequenzgang führt. Abgesehen von den bisher genannten Vorteilen soll ganz besonders darauf hingewiesen werden, daß die äußeren Abmessungen eines Mikrophons das Ausmaß der linearen Schallfeldverzerrung bestimmen. So entstehen bei tiefen Frequenzen Schallbeugungen um den Mikrophonkörper herum, wogegen bei hohen Frequenzen der Staudruck ansteigt. Diese Schallfeldverzerrungen liegen bei Mikrophonen mit der erfindungsgemäßen Membran außerhalb des Hörbereiches, also oberhalb von 20 kHz, wenn der Durchmesser des Mikrophons gleich oder kleiner als 6 mm ist. Die Miniaturisierung des Mikrophons bedeutet aber auch Unauffälligkeit auf Bühnen, bei Fernsehaufnahmen,'bei Konferenzen, Reportagen und ähnlichen Anwendungen, nicht zuletzt a\ich beim Tragen als Lavaliermikrophon, das vor allem dann vorteilhaft als Richtmikrophon ausgebildet sein kann.

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AIs besonders vorteilhaft hat sich die Verwendung von Chloroprenkautsch.uk, Neoprenkautschuk, Silikonkautschuk oder von Naturkautschuk erwiesen. Für elektrostatische Mikrophone, deren Membran eine gewisse elektrische Leitfähigkeit erfordert, ist es zweckmäßig, das auf Kautschukbasis aufgebaute Membranmaterial durch Beimengung von Metallpulver oder Ruß ausreichend leitfähig zu machen. Man kann aber auch die gespannte Membran dadurch elektrisch leitfähig machen, daß sie metallisch bedampft, besputtert oder mit einem elektrisch leitfähigen Lack lackiert wird. Es zeigt sich, daß die erfindungsgemäße Membran vorteilhafterweise ohne besonderen Aufwand auf verschiedene Art und Weise so weit elektrisch leitfähig gemacht werden kann, daß sie für die Verwendung in elektrostatischen Mikrophonen geeignet ist.

Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Membranmaterials ist darin zu sehen, daß es mit einer großen inneren Reibung versehen werden kann,wodurch eine optimale Bedämpfung von Partialschwingungen erreicht wird. Insbesondere hat sich in dieser Hinsicht Butylkautschuk bewährt.

Weitere Einzelheiten der Erfindung können der folgenden Beschreibung an Hand der Zeichnung entnommen werden, in der Fig. 1 das Spannungsbild einer bekannten Membran mit richtungsabhängigem Elastizitätsmodul zeigt, Fig. 2 das Spannungsbild einer erfindungsgemäßen Membran mit richtungsunabhängigem Elastizitätsmodul darstellt, Fig. 3 den Frequenzgang eines Kondensatormikrophons mit einer Kunststoffmembran, deren Eigenresonanz über 2000 Hz liegt, erkennen läßt und Fig. 4 den Frequenzgang eines Kondensatormikrophons mit einer erfindungsgemäßen Membran und einer Membranresonanz zwischen 1500 Hz und 2000 Hz zeigt.

In Fig. 1 ist das Spannungsfeld einer in einem Ring R eingespannten Membran, wie es in einer gespannten Folie

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aus Kunststoff parallel zur Folienoberfläche auftritt, gezeigt. Es gibt zwei zueinander senkrecht stehende Vorzugsrichtungen, in denen jeweils eine geringste und eine größte innere Spannung e~aufscheint. In Eichtungen, die zwischen diesen beiden Vorzugsrichtungen liegen, nimmt die innere Spannung $· kontinuierlich zu bzw. ab, je nachdem von welcher Vorzugsrichtung aus man die Betrachtung beginnt, so daß beispielsweise der geometrische Ort für alle Spannungsvektoren eine Ellipse darstellt.

Fig. 2 zeigt das Spannungsfeld einer ebenfalls in einem Ring R eingespannten Membran, aus einem der Erfindung entsprechenden Material. Die homogene Struktur des Materials mit seinem richtungsunabhängigen Elastizitätsmodul läßt erkennen, daß es keine ausgeprägte Vorzugsrichtung gibt. Die innere Spannung S" ist in allen Richtungen konstant.

In Fig. 3 ist der Frequenzverlauf eines Kondensatormikrophons gezeigt, dessen Membrandurchmesser kleiner als 10 mm ist und dessen Membran aus einem herkömmlichen Kunststoff hergestellt ist, dessen.Elastizitätsmodul nur eine Membranresonanz weit oberhalb von 2000 Hz zuläßt. Der Frequenzverlauf läßt erkennen, daß unterhalb von 1000 Hz die Mikrophonempfindlichkeit stetig abnimmt, so daß dieser im Hörbereich gelegene sehr wichtige Frequenzabschnitt nur mangelhaft oder aber überhaupt nicht übertragen wird.

Den Frequenzgang eines Kondensatormikrophons, das mit einer erfindungsgemäßen Membran ausgerüstet ist, deren Durchmesser kleiner als 10 mm ist, zeigt Fig. A-. Er verläuft, wie Kurve a) zeigt, zwischen 20 Hz und 20 kHz weitgehend horizontal, weil die Membranresonanz im Frequenzbereich zwischen 1000 Hz und 15ΟΟ Hz liegt. Dies ist auf das erfindungsgemäße Membranmaterial zurückzuführen, dessen Elastizitätsmodul wesentlich niedriger ist als der der bisher verwendeten Membranmaterialien. Die übertragungsgüte eines solchen Mikrophons ist sehr hoch, weil der gesamte Bereich der hörbaren Frequenzen

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mit für alle Frequenzen gleichbleibendem Umsetzungsfaktor übertragen wird. Daß dabei auch die Richtcharakteristik voll erhalten bleibt, zeigen die Kurven b) und c), die die Rückwärtsdämpfung einmal in einem Abstand von 1 m (Kurve b Kugelschallfeld) und einmal im ebenen Schallfeld (Kurve c) zeigen.

Die gleichen Figuren stellen sinngemäß auch die Anwendung der beschriebenen Membran für ein orthodynamisches Mikrophon dar, wobei jedoch zu berücksichtigen ist, daß hiezu die Membraneigenresonanz bei etwa 150 Hz liegen muß. Unterhalb dieser Resonanzfrequenz tritt im Frequenzverlauf jedoch ein Abfall von 12 dB pro Oktav ein.

Claims (5)

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2. Patentanwälte Dr.-lng. R. Rüger Dipl.-Ing. H. P. Barthelt
3. zügel Vertreter beim Europäischen Patei itamt
4. Webergasse 3 - Pobtlach 3ΊΗ - 7300 Esslinfien (Neckar)
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   r\J Membran für Mikrophone nach dem elektrostatischen oder elektrodynamischen Prinzip mit ausgeprägter Sichtcharakteristik, insbesondere mit Nieren-, Supernieren-, Hypernieren-, achterförmiger od.dgl. Charakteristik, welche gespannte Membran eine Dicke von unter 8 /um und einen Durchmesser von höchstens 10 mm aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran aus einem elastisch dehnbaren Material auf Kautschukbasis besteht und eine Eigenresonanz von höchstens 1200 Hz bis 1500 Hz aufweist.

   2. Membran nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus Chloroprenkautschuk, Neoprenkautschuk, Silikonkautschuk oder Naturkautschuk besteht.

   3. Membran nach Anspruch 1, für Kondensatormikro— phone, dadurch gekennzeichnet, daß das Membranmaterial auf Kautschukbasis durch Beimengung von Metallpulver oder Ruß leitfähig gemacht ist.

   4. Membran nach Anspruch 1, für Kondensatormikrophone, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran metallisch bedampft, besputtert oder mit elektrisch leitfähigem Lack lackiert ist.

   5. Membran nach einem oder mehreren de-r Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus einem Material auf Kautschukbasis mit großer innerer Reibung besteht, z.B. aus Butylkautschuk.