DE3926884A1 - Elektroakustischer wandler - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen elektroakustischen Wandler gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Ein derartiger Wandler ist aus der Zeitschrift "Funkschau", Heft 16, 1985, Seiten 43-45 bekannt.

In einem Raum bilden sich stets durch Überlagerung des direkt eintreffenden Schallfeldes mit den an den Wänden reflektierten Schallwellen stehende Wellen aus, was zu frequenz- und ortsabhängigen Schalldruck-Maxima und -Minima führt. Direkt vor einer schallharten Fläche haben Schall­ wellen ein Druckmaximum, wobei die senkrecht zur Fläche gerichtete Schnellekomponente verschwindet, da eintreffende und reflektierte Wellen gleichphasig überlagert werden. Der Schalldruck vor der Grenzfläche ist daher doppelt so groß wie im freien Schallfeld. Dieser Effekt wird bei einem bekannten Grenzflächenmikrofon (Zeitschrift "Funk­ schau", Heft 18, 1985, Seiten 43-45) ausgenutzt, bei welchem auf der Oberseite einer ebenen, dünnen und schallharten Montageplatte ein Miniatur-Elektretwandler angebracht ist. An der Unterseite der Montageplatte befinden sich elastische Füße, um die Montageplatte auf den Fußboden, einer Wand oder einer anderen, schallharten Grenzfläche zu fixieren. Infolge der Erhöhung des Schalldruckes unmittel­ bar an der Grenzfläche bis auf den doppelten Wert wird die Nutzspannung des Wandlers um 6-dB gegenüber dem Frei­ feld angehoben. Diese Schalldruckverdoppelung tritt jedoch nur für solche Frequenzen ein, für welche die Grenzfläche groß im Vergleich zur Schallwellenlänge ist.

Die bei bekannten Grenzflächenmikrofonen benutzten, schall­ harten Platten sind entweder kreisförmig, quadratisch oder rechteckig. Das Wandlerelement ist in der Regel zen­ trisch angebracht. Bei dickeren Platten besitzt die Platten­ kante in der Regel eine Phase von etwa 45°, während bei dünnen Platten die Kante in der Regel nur gebrochen ist. Bei kreisförmigen Platten ist die Platte zum Rand hin unregelmäßig verrundet oder abgeflacht.

Es hat sich gezeigt, daß die Frequenzgänge der Grenzflächen­ mikrofone mit kreisförmigen, quadratischen oder rechteckigen Platten insbesondere bei senkrechtem Schalleinfall starke Überhöhungen und Einbrüche aufweisen. Ferner zeigen diese Mikrofone starke Unregelmäßigkeiten im Polardiagramm im vorderen Halbraum, so daß im Ergebnis starke und richtungs­ abhängige Klangverfärbungen auftreten. Diese Unzulänglich­ keiten erklären sich dadurch, daß bei einem Grenzflächen­ mikrofon die eben einfallende Wellenfront ein sekundäres Schallfeld erzeugt. Dieses sekundäre Schallfeld entsteht durch Schallbeugung an der Plattenkante. Es entsteht eine sogenannte "Kriechwelle", die sich vom Rand der Platte über deren Fläche ausbreitet. Die Phasenlage der Kriech­ welle in bezug auf die einfallende Welle ist vom Phasen­ sprung an der Plattenkante abhängig. Dieser Phasensprung fällt je nach Beschaffenheit der Kanten und der Impedanz der Oberflächen von Mikrofonkörper und Grenzfläche unter­ schiedlich aus. In Abhängigkeit von der geometrischen Gestalt des Mikrofonkörpers und der Montageplatte erzeugt somit die Kriechwelle ein mehr oder weniger kompliziertes Interferenzmuster. Für den Frequenzgang eines Grenzflächen­ mikrofons ist somit die Überlagerung der einfallenden Welle mit der Kriechwelle am Einbauort des Wandlers ent­ scheidend. Negative Beeinflussungen des Frequenzganges und der Richtcharakteristik können nur dann vermieden werden, wenn Kriechwellen entweder völlig vermieden werden oder wenn sie am Einbauort des Wandlers eine in der Summe frequenzunabhängige Phasenlage sowie einen frequenzunab­ hängigen Pegel besitzen. Die Kriechwelle kann theoretisch nur dann vermieden werden, wenn die Montageplatte unendlich dünn oder unendlich ausgedehnt wäre. Eine Dicke von 1 bis 2 mm, welche in der Praxis zur Vermeidung von Kriech­ wellen genügen würde, ist jedoch technisch nicht realisier­ bar, da zum Einbau in eine derartig dünne Montageplatte kein elektrostatischer Wandler verfügbar ist.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, bei einem elektro­ statischen Wandler der eingangs erwähnten Art eine fre­ quenzunabhängige, halbkugelförmige Richtcharakteristik bei einer hohen Klangtreue zu erzielen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnen­ den Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des er­ findungsgemäßen, elektroakustischen Wandlers ergeben sich aus den Ünteransprüchen.

Der erfindungsgemäße, elektroakustische Wandler ist hin­ sichtlich der geometrischen Form seiner Montageplatte und seiner Einbaulage in der Montageplatte so optimiert, daß Kriechwellen am Einbauort des Wandlers eine in der Summe frequenzunabhängige Phasenlage und einen frequenz­ unabhängigen Pegel besitzen. Für jeden Einfallswinkel ist damit gewährleistet, daß durch die Überlagerung der einfallenden Welle mit dem durch Beugung an der Mikrofon­ platte entstehenden sekundären Schallfeld am Wandlerort keine lineare Beeinflussung des Frequenzganges stattfindet. In bevorzugter Weise sind hierzu die Weglängen von jedem Randpunkt der Platte zur Membranmitte gleichmäßig in einem Längenbereich verteilt, dessen obere Grenze bestimmt wird durch die Schallwellenlänge der oberen Grenzfrequenz des elektroakustischen Wandlers und dessen untere Grenze be­ stimmt wird durch die halbe Schallwellenlänge der Über­ gangsfrequenz, bei welcher sich ein Schalldruckstau vor der Mikrofonfläche auszubilden beginnt. In besonders günsti­ ger Weise ist die Platte als schiefwinkliges Dreieck gestal­ tet.

Die Erfindung wird anhand eines in den Zeichnungen darge­ stellten Ausführungsbeispieles näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 eine Draufsicht auf einen elektroakustischen Wandler gemäß der Erfindung;

Fig. 2 einen Schnitt durch den elektroakustischen Wandler gemäß Fig. 1 längs der Schnittlinie II-II und

Frequenzgänge des Wandlers nach Fig. 1 (Kurve #1),

Fig. 3a bis 3d ) eines Grenzflächenmikrofons mit rechteckförmiger Montageplatte (Kurve #2) und eines Grenzflächen­ mikrofons mit kreisförmiger Montageplatte (Kurve #3).

Das in Fig. 1 in der Draufsicht und in Fig. 2 im Schnitt dargestellte Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen elektroakustischen Wandlers weist eine dreieckförmige Trägerplatte P mit den Seitenkanten bzw. Dreiecksschenkeln a, b und c auf. Die von den Schenkeln a, b und c einge­ schlossenen Winkel α, β, γ betragen im dargestellten Bei­ spielsfalle α = ca. 45°, β = ca. 75° und γ = ca. 60°.

Auf der relativ dünnen, schallharten Trägerplatte P ist in der Nähe des Schwerpunktes S des Dreicks, d.h. des Schnittpunktes der drei Schwerlinien s1, s2 und s3, eine Wandlerkapsel W vertieft angebracht, so daß die Membrane M der Wandlerkapsel W bündig mit der dem einfallenden Schall zugewandten Oberfläche der Platte P ist. Der genaue Ein­ bauort der Wandlerkapsel W liegt im dargestellten Bei­ spielsfall auf der Schwerlinie s1 zwischen deren Fußpunkt F und dem Schwerpunkt S. Die Wandlerkapsel W ist durch die Platte hindurch mit einem Mikrofonkabel K verbunden, das am Fußpunkt der Schwerlinie s2 bzw. am kürzesten Schenkel b installiert ist und an seinem anderen Ende in einem Kabelstecker St endet.

In dem Schnitt nach Fig. 2 erkennt man den oberflächen­ bündigen Einbau der Membrane M und die Halterung der Wandlerkapsel W in einer Vertiefung der Montageplatte P besonders deutlich.

Als Wandler W kann in bevorzugter Weise ein elektro­ statischer, druckkalibrierter Wandler vorgesehen werden, d.h. ein Wandler, der im Hörbereich bei konstantem Schalldruck eine konstante Spannung ab­ gibt.

Der Frequenzgang des elektroakustischen Wandlers W gemäß Fig. 1 und 2 wurde unter verschiedenen Schall­ einfallswinkeln von 0°, 30°, 60° und 90°, bezogen auf die Ebene der Montageplatte P gemessen. Die Ergebnisse sind in den Fig. 3a bis 3d anhand der ausgezogenen Kurve 1 dargestellt. Zum Vergleich sind die entsprechenden Frequenzgänge bekannter Grenzflächenmikrofone mit einer rechteckförmigen Trägerplatte (gestrichelte Kurve #2) und einer kreisförmigen Trägerplatte (Kurve #3) in den Fig. 3a bis 3d eingezeichnet.

Wie man aus dem Vergleich der Kurven #1 bis #3 erkennt, sind die Frequenzgänge unter allen Schalleinfallswinkeln bei dem erfindungsgemäßen Wandler nach Fig. 1 und 2 sehr eben und ausgeglichen. Bei dem Grenzflächenmikrofon mit rechteckförmiger Platte (Kurve #2) und kreisförmiger Platte (Kurve #3) zeigen sich insbesondere bei den 0°-Frequenzgängen deutliche Abweichungen von dem ebenen Verlauf bei höheren Frequenzen . Diese Frequenzgangver­ zerrungen erklären sich dadurch, daß die Kriechwellen, die durch Beugung an der Mikrofonplatte entstehen, am Einbauort des Wandlers eine frequenzabhängige Phasenlage sowie einen frequenzabhängigen Pegel besitzen.

Wesentlich ist, daß der anhand eines Ausführungsbeispiels mit dreieckförmiger (schiefwinkliges Dreieck) Montage­ platte erläuterte Erfindungsgedanke allgemein dahin um­ schrieben werden kann, daß die geometrische Form der Platte P und der Einbauort der Membrane M bzw. Kapsel W so zu wählen sind,daß sich bei Überlagerung des ein­ fallenden primären Schallfeldes mit dem durch Schallbeugung an den Plattenkanten entstehenden sekundären Schallfeld (Kriechfeld) ein ebener Frequenzganz am Einbauort der Membrane M ergibt. Dies läßt sich insbesondere dann er­ reichen, wenn die Weglängen von jedem Randpunkt der Platte P zur Membranmitte gleichmäßig in einem bestimmten Längenbereich verteilt sind. Die obere Grenze dieses Längenbereichs wird bestimmt durch die Schallwellenlänge der oberen Grenzfrequenz des Wandlers. Die untere Grenze dieses Längenbereichs wird durch die halbe Schallwellen­ länge derjenigen Frequenz (Übergangsfrequenz) bestimmt, ab der sich ein Schallstaudruck vor der Platte P aus­ bildet.

Der mit dem erfindungsgemäßen Wandler erzielte ebene Frequenzgang bei allen Schalleinfallswinkeln bedeutet in idealer Weise eine frequenzunabhängige, halbkugel­ förmige Richtcharakteristik. Direkt- und Diffusschall haben keine unterschiedliche Klangfärbungen zur Folge, wie sie beispielsweise bei einem Wandler im freien Schall­ feld aufgrund der Beugungs- und Abschattungseffekte am Mikrofonkörper auftreten. Zudem werden durch den ober­ flächenbündigen Einbau des Wandlers in die Platte Klang­ färbungen vermieden, wie sie bei üblichen Mikrofonen durch verzögerte Reflexionen an Raumbegrenzungsflächen und den damit verbundenen Kammfiltereffekten auftreten.

Claims (9)

1. Elektroakustischer Wandler, der mit seiner Membrane oberflächenbündig in eine schallharte Platte endlicher Fläche und Dicke eingebaut ist, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die geometrische Form der Platte (P) so gewählt und die Membrane (M) an einer solchen Stelle der Platte (P) eingebaut ist, daß bei Überlagerung des einfallenden primären Schallfeldes mit dem durch Beugung an dem Plattenrand entstehenden sekundären Schallfeld ein ebener Frequenzgang am Einbauort der Membrane (M) gegeben ist.

2. Elektroakustischer Wandler nach Anspruch 1, da­ durch gekennzeichnet, daß die Weglängen von jedem Randpunkt der Platte (P) zur Membranmitte gleich­ mäßig in einem Längenbereich verteilt sind, dessen obere Grenze bestimmt wird durch die Schallwellenlänge der oberen Grenzfrequenz des elektroakustischen Wandlers (W) und dessen untere Grenze bestimmt wird durch die halbe Schall­ wellenlänge der Übergangsfrequenz für die Ausbildung eines Schalldruckstaues vor der Platte (P).

3. Elektroakustischer Wandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Platte (P) als Dreieck ausgeführt ist.

4. Elektroakustischer Wandler nach Anspruch 3, da­ durch gekennzeichnet, daß die Platte (P) als schiefwinkliges Dreieck ausgeführt ist.

5. Elektroakustischer Wandler nach Anspruch 4, da­ durch gekennzeichnet, daß die Schenkel (a, b, c) der dreieckförmigen Platte (P) Winkel (α, β, γ) von etwa 45°, etwa 75° und etwa 60° einschließen.

6. Elektroakustischer Wandler nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Membrane (M) in der Nähe des Schwerpunktes (S) der dreieckförmigen Platte (P) angeordnet ist.

7. Elektroakustischer Wandler nach Anspruch 6, da­ durch gekennzeichnet, daß die Membrane (M) etwa auf der Schwerlinie (s1) des längsten Schenkels (a) der dreieckförmigen Platte (P) zwischen deren Schwerpunkt (S) und dem Fußpunkt (F) dieser Schwerlinie (sl) angeordnet ist.

8. Elektroakustischer Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein elektrostatischer Wandler vorgesehen ist.

9. Elektroakustischer Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein druckkalibrierter Wandler vorgesehen ist.