DE4307825C2 - Doppelwandler für Kondensatormikrofone mit variabler Richtcharakteristik - Google Patents

Description

Die Erfindung richtet sich auf einen Doppelwandler der im Oberbegriff des Anspruches 1 angegebenen Art.

Bei einem Doppelwandler gemäß der US-Patentschrift 3 146 308, der keine variable Richtcharakteristik aufweist, besitzt der Wandler bei tiefen Fre­ quenzen einen ansteigenden Frequenzgang. Dort werden besonders massen­ reich ausgebildete Kanäle zur Verbindung der beiden Wandler verwendet. Diese Kanäle sind innerhalb des Gehäuses zwischen den beiden Volumenkam­ mern angeordnet. Mit ihrer Hilfe erfolgt eine Tiefenabstimmung des Wand­ lers durch Massehemmung. Diese Massehemmung beeinflußt nur den Fre­ quenzgang, nicht aber die Richtcharakteristik, welche bei diesem bekannten Doppelwandler immer die Form einer "8" beibehält.

Bei Doppelwandlern mit variabler Richtcharakteristik besitzen die einzelnen Wandler jeweils eine nierenförmige Richtcharakteristik. Die beiden Richtcha­ rakteristiken weisen dabei in eine zueinander entgegengesetze Richtung. Die Gesamtcharakteristik des Doppelwandlers wird durch unterschiedliche Überlagerung der elektrischen Signale beider Wandler verändert. Es ist üblich, die beiden Wandler nicht getrennt voneinander aufzubauen, sondern sie mechanisch und akustisch in möglichst kompakter Weise zu einem zu vereinigen. Das wird anhand der Fig. 1 noch näher erläutert.

Diese bekannte Bauart des Doppelwandlers weist grundsätzliche Nachteile auf. So kommt der für die Ausbildung der nierenförmigen Richtcharakteristik erforderliche rückwärtige Schallweg für jeden der beiden Wandler durch den jeweils anderen Wandler hindurch nur bei Frequenzen zustande, die in der Nähe der Resonanzfrequenz der Wandler liegen. Die akustische Impe­ danz der Wandler weist nämlich bei der Resonanzfrequenz ihr Minimum auf und wird reell, während zu niedrigen und hohen Frequenzen hin der rückwärtige Schallweg durch die ansteigende akustische Impedanz der Wand­ ler zunehmend gesperrt wird, so daß dort ein unerwünschter Übergang zu einer kugelförmigen Richtcharakteristik erfolgt. Die Resonanzfrequenz der Wandler wird üblicherweise so eingestellt, daß sie in der Mitte des nutzbaren Frequenzbereichs liegt. Das wird nachfolgend, anhand der Fig. 1, noch näher erläutert.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Doppelwandler zu entwickeln, der einerseits einen kompakten mechanischen Aufbau ermög­ licht und andererseits die Nachteile des bekannten Doppelwandlers vermei­ det, indem er in einem weiten Frequenzbereich eine nierenförmige Richtcha­ rakteristik sowie einen hohen Übertragungsfaktor und ein niedriges Rauschen aufweist. Dies wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Anspru­ ches 1 angeführten Maßnahmen erreicht, denen folgende besondere Bedeutung zukommt.

Bei der Erfindung erfolgt eine zusätzliche rückwärtige Ankopplung des Wandlers an das Schallfeld. Dies erfolgt in definierter Weise über zwei unterschiedliche akustische Widerstandselemente. Dabei ist das eine Wider­ standselement durch weite Durchlässe und das andere Widerstandselement durch enge Durchlässe im Bereich des Gehäuses erzeugt. Akustisch weite und enge Durchlässe weisen unterschiedliche Grenzfrequenzen auf, unterhalb welcher sich die zugehörige akustische Impedanz einem konstanten frequenz­ unabhängigen Wert annähert, der durch den jeweiligen Wirkwiderstandsanteil gegeben ist. Oberhalb der Grenzfrequenz nimmt die Impedanz infolge des Masseanteils proportional mit der Frequenz zu. Die Grenzfrequenz ist um so niedriger, je größer der Masseanteil und je niedriger der Wirkwi­ derstandsanteil ist. Die Grenzfrequenz ist im wesentlichen durch die kleinste quer zur Schallflußrichtung auftretende Abmessung des Durchlasses bestimmt, also bei spaltförmigen Durchlässen durch die Spaltweite und bei runden Durchlässen (Bohrungen) durch den Radius bzw. Durchmesser. Unter einem "weiten Durchlaß" soll in diesem Sinne ein akustisches Widerstandselement mit einer vergleichsweisen niedrigen Grenzfrequenz verstanden werden, während mit einem "engen Durchlaß" ein akustisches Widerstandselement mit einer vergleichsweise hohen Grenzfrequenz bezeichnet werden soll. Zweckmäßigerweise wird der erste Widerstandstyp durch Röhrchen oder Bohrungen und der zweite Widerstandstyp durch Luftspalte oder Gewebe­ dämpfungen realisiert.

Weitere Vorteile und Maßnahmen der Erfindung ergeben sich aus den Unter­ ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung und den Zeichnungen.

In den Zeichnungen ist die Erfindung in zwei Ausführungsbeispielen dargestellt, und zwar schematisch, nicht maßstäblich. Teilweise liegt ein stark übertrie­ bener Maßstab vor. Es zeigen:

Fig. 1 den Stand der Technik und

Fig. 2 und 3 zwei Ausführungsbeispiele eines Doppelwandlers für Konden­ satormikrofone nach der Erfindung.

Die Fig. 1 zeigt die grundsätzliche Ausführung eines dem bisherigen techni­ schen Stand entsprechenden Doppelwandlers. Er besteht aus einem zylindri­ schen Gehäuse 10, dessen beide axiale Stirnenden durch gleichartige kapazi­ tive Wandler 20 begrenzt sind. Die Wandler 20 enthalten jeweils eine Mem­ bran 21 mit einem zugehörigen Trägerring 22, eine parallel zur Membran angeordnete Gegenelektrode 23, deren Abstand zur Membran mit einer Distanzscheibe 24 eingestellt ist. Das Gehäuse 10 enthält zwei gleichartige, als akustische Federungen wirkende Volumina 11, die über einen akustischen Widerstand 12 miteinander verbunden sind.

Bei den bekannten Ausführungen des Doppelwandlers wird eine Erweiterung des Frequenzbereichs, in dem sich die nierenförmige Richtcharakteristik ausbildet, dadurch vorgenommen, daß der akustische Widerstand 12 und der Wirkwiderstandsanteil der Wandler 20 sehr groß gewählt werden. Dadurch wird aber zugleich der Schallfluß durch den Doppelwandler, der im mittleren Frequenzbereich vornehmlich durch die Summe aller akustischen Wirkwider­ stände bestimmt wird, erheblich verringert und dadurch auch der damit verbundene elektroakustische Übertragungsfaktor (Empfindlichkeit) des Dop­ pelwandlers entsprechend herabgesetzt. Außerdem wird die Signalqualität des Mikrofons einerseits durch das von den großen akustischen Wirkwider­ ständen des Doppelwandlers erzeugte erhöhte Rauschsignal und andererseits infolge des verringerten Übertragungsfaktors durch den dadurch erhöhten Einfluß des elektronischen Rauschens des nachgeschalteten Verstärkers verschlechtert.

Fig. 2 zeigt den prinzipiellen Aufbau des erfindungsgemäß ausgeführten Doppelwandlers. Die beiden Wandler 20 sind hierbei über ein ringförmiges Gehäuse 10 mit einem durchgängigen Volumen 13 direkt, also ohne das in Fig. 1 noch vorhandene akustische Widerstandselement 12 miteinander verbunden. Das Gehäuse 10 weist mehrere in der Symmetrieebene angeordne­ te, möglichst gleichmäßig über den Gehäuseumfang verteilte, radiale Bohrun­ gen 14 auf, die im zuvor erläuterten Sinne die weiten Durchlässe bilden, z. B. sind in Fig. 2 vier Bohrungen vorgesehen. Zwischen den Wandlern 20 und dem Gehäuse 10 sind zusätzlich radiale Luftspalte 15 eingefügt, die in dem zuvor erläuterten Sinne die akustisch engen Durchlässe bilden. Die Luftspalte erstrecken sich bei der praktischen Ausführung des Doppel­ wandlers nicht, wie es schematisch in Fig. 2 dargestellt ist, ohne Unterbre­ chung über den gesamten Gehäuseumfang, sondern sind durch Sektoren aus Folienzwischenlagen 16 unterbrochen, so daß sich mehrere radiale Luft­ spalte ergeben, die sich möglichst gleichmäßig über den gesamten Gehäuse­ umfang verteilen.

Aufgabe der weiten Widerstandselemente in der erfindungsgemäßen Wandler­ anordnung ist es, die für die Ausbildung der nierenförmigen Richtcharakteri­ stik erforderliche, rückwärtige akustische Ankopplung der Wandler 20 an das Schallfeld bei tiefen Frequenzen in definierter Weise zu erreichen, also in einem Frequenzbereich, in dem bei den bekannten Doppelwandlern, wie bereits erläutert, die rückwärtige Ankopplung an das Schallfeld durch die Wandlerimpedanzen versperrt ist.

Mit ansteigender Frequenz werden die Wandler in zunehmendem Maße aku­ stisch durchlässig, weil der Anteil ihrer akustischen Impedanz, der im wesentlichen durch die Steifigkeit der Membran bestimmt ist, bis zur Resonanzfrequenz der Wandler stetig abnimmt, so daß dann über die Wand­ ler in wachsendem Male eine rückwärtige Ankopplung an das Schallfeld erfolgt. Daher muß die zusätzliche Ankopplung über die Widerstandsele­ mente 14 und 15 entsprechend schwächer werden, ihre Impedanz also in geeigneter Weise mit der Frequenz zunehmen.

Ein geeigneter Impedanzverlauf läßt sich für tiefe Frequenzen im Prinzip allein mit den weiten Durchlässen 14 erreichen, die eine im Vergleich zur Resonanzfrequenz der Wandler niedrige Grenzfrequenz aufweisen. Dazu ist es erforderlich, daß alle akustischen Elemente des Doppelwandlers in bestimmten Beziehungen zueinander stehen. Für die Darstellung der Bezie­ hungen wird im folgenden von den bekannten akustischen Ersatzdarstellun­ gen ausgegangen. Danach läßt sich jeder der beiden Wandler 20 durch eine Reihenschaltung aus einem Wirkwiderstand R, einer Masse M und einer Federung C darstellen. Ebenso können alle weiten Durchlässe 14 zusam­ mengenommen durch eine Reihenschaltung aus einem Wirkwiderstand R1 und einer Masse M1 dargestellt werden. Das Volumen 13 wird durch seine aku­ stische Federung C1 repräsentiert. Der effektive Schallumweg, der sich für den axial einfallenden Schall zwischen den beiden Wandlermembranen ergibt, wird mit u bezeichnet und die Schallgeschwindigkeit mit c. Dann ergeben sich folgende Beziehungen, die erfüllt sein müssen, um bei tie­ fen Frequenzen eine nierenförmige Richtcharakteristik des Doppelwandlers zu erreichen:

R · C1 = u/c
R1 = R/2
M1 = C · R · R1.

Wenn beispielsweise die Größe des Volumens 13, und damit die zugehörige akustische Federung C1, sowie die akustische Federung C des Wandlers 20 und der Umweg u vorgegeben sind, ergibt sich dann nach den obigen Bezie­ hungen der erforderliche Wirkwiderstand R des Wandlers, sowie der Wirk­ widerstand R1 und die Masse M1 der weiten Durchlässe 14.

Im Sinne der erfindungsgemäßen Ausführung sollte das Volumen des Doppel­ wandlers möglichst groß gewählt werden. Dann kann aufgrund der damit verbundenen vergrößerten Federung C1 der Wirkwiderstand R des Wandlers 20 entsprechend der ersten obigen Beziehung reduziert werden. Dadurch wird einerseits der Schallfluß im Doppelwandler und damit auch die Wand­ lerempfindlichkeit erhöht und andererseits wird das von dem Wirkwider­ stand R erzeugte thermische Rauschen verringert. Die akustische Dimen­ sionierung der Elemente R1, M1 der Durchlässe 14 kann in jedem Fall gemäß den oben angegebenen Beziehungen so angepaßt werden, daß sich die gewünschte nierenförmige Richtcharakteristik bei tiefen Frequenzen ergibt. Dadurch lassen sich die mit dem bekannten Doppelwandlerkonzept verbundenen Nachteile, nämlich die geringe Wandlerempfindlichkeit und das höhere Rauschen, grundsätzlich vermeiden.

Mit der nach den obigen Beziehungen vorgenommenen Dimensionierung des Doppelwandlers läßt sich eine nierenförmige Richtcharakteristik erzeu­ gen, die bis zu der im mittleren Frequenzbereich gelegenen Resonanzfre­ quenz der Wandler 20 nur eine geringe Frequenzabhängigkeit aufweist. Bei höheren Frequenzen gibt es aber Abweichungen von der idealen nierenför­ migen Richtcharakteristik und es tritt außerdem noch eine gewisse Wel­ ligkeit des Frequenzgangs auf. Diese Abweichungen lassen sich erfin­ dungsgemäß durch die zusätzlich im Bereich des Gehäuses 10 angeordneten engen Durchlässe 15 verringern. Diese engen Durchlässe weisen einen höheren Wirkwiderstand auf als die schon vorhandenen weiten Durchlässe 14 und besitzen eine Grenzfrequenz, die oberhalb der Resonanzfrequenz der Wandler liegt. Durch die Parallelschaltung der beiden unterschiedli­ chen akustischen Widerstandselemente 14 und 15 ergibt sich insgesamt ein weniger steiler Impedanzverlauf, der zu einer weiter verringerten Fre­ quenzabhängigkeit der Richteigenschaften des Doppelwandlers führt, wenn die im folgenden angegebenen Dimensionierungsregeln beachtet werden.

Zunächst werden der Wirkwiderstand R des Wandlers 20 und der Wirkwider­ stand R1 der weiten Durchlässe 14 größer gewählt als es der zuvor ange­ gebenen Dimensionierung entspricht. Günstig ist eine Vergrößerung von R etwa um den Faktor 1,5 und eine Vergrößerung von R1 etwa um den Faktor 1,2. Der Widerstand R2 der zusätzlichen engen Durchlässe wird so ge­ wählt, daß der durch Parallelschaltung von R1 und R2 bei tiefen Frequen­ zen resultierende Widerstandswert R12 der Beziehung

R12 = u/(2 · c · C1)

genügt, wodurch sich bei tiefen Frequenzen wieder die geforderte nieren­ förmige Richtcharakteristik ergibt. Die akustische Masse M1 der weiten Durchlässe 14 kann wieder wie zuvor nach der oben angegebenen Beziehung errechnet werden, wobei die modifizierten Werte von R und R1 einzusetzen sind. Durch diese Maßnahmen läßt sich der Frequenzbereich, in dem die Richtcharakteristik als nierenförmig anzusehen ist, nach oben erweitern und die bei der alleinigen Verwendung der weiten Durchlässe entstehenden Welligkeiten im Frequenzgang werden praktisch beseitigt.

Die für die bestimmungsgemäße Funktion des Doppelwandlers erforderliche symmetrische Aufbau erfordert auch eine symmetrische Anordnung der aku­ stisch weiten und engen Durchlässe, und zwar sowohl in axialer als auch in radialer Richtung. Das Symmetriezentrum liegt in der axialen Mitte des Gehäuses 10. Die zugehörige Symmetrieebene wird durch die Ebene dar­ gestellt, die senkrecht zur Rotationsachse des Doppelwandlers durch die Mitte des Gehäuses 10 verläuft. Eine Möglichkeit zur erfindungsgemäßen Anordnung der Durchlässe besteht darin, beide Arten der Durchlässe im Wechsel miteinander in der Symmetrieebene radial in das Gehäuse 10 ein­ zubringen. Es ist aber auch möglich, die Durchlässe getrennt in ver­ schiedenen Ebenen des Gehäuses 10 anzuordnen, die axial symmetrisch zur Symmetrieebene liegen.

Die Ausführung der Fig. 2 zeigt ein Beispiel für die symmetrische Verset­ zung der akustisch engen Durchlässe, die hier durch Luftspalte gebildet sind. Beide Spaltebenen wirken gemeinsam wie ein einziger in der Symme­ trieebene angeordneter Spalt, solange die Entfernung der Spalte vonein­ ander vergleichsweise klein zur Wellenlänge der Schallsignale ist, für welche der akustische Durchgang von Bedeutung ist. Das ist bei den übli­ chen Wandlergeometrien gewährleistet. Die in Fig. 2 gezeigte Ausführung zeigt eine zweckmäßige Anordnung der Luftspalte zwischen dem Gehäuse 10 und den Gegenelektroden 23 der Wandler 20. Dadurch ist es möglich, den mechanischen Übergang vom Gehäuse 10 zu den Wandlern 20 für diese zu­ sätzliche Funktion zu nutzen und so die Gestaltung des Gehäuseteils zu vereinfachen.

Es ist zweckmäßig, die weiten Durchlässe 14 als Bohrungen auszuführen, da die akustische Durchlässigkeit, wie zuvor erläutert, vornehmlich bei sehr tiefen Frequenzen benötigt wird und daher eine Vereinzelung auf wenige radial gleichmäßig verteilte Bohrungen, die in der Symmetrieebene angeordnet sind, zulässig ist, da hier der entstehende Versatz klein im Vergleich zur Schallwellenlänge ist. Da die Grenzfrequenz allein durch den Durchmesser der Bohrungen bestimmt wird, läßt sich der benötigte akustische Wirkwiderstand nur durch die Länge und die Anzahl der Bohrun­ gen festlegen. Geeignete Bohrungsdurchmesser liegen bei dem erfindungs­ gemäß ausgeführten Wandler bei wenigen Zehntel Millimetern. Da es Schwierigkeiten bereitet, Bohrungen mit derartig kleinen Durchmessern in das Gehäuseteil direkt einzubringen, besteht alternativ auch die Mög­ lichkeit, die Bohrungen in Gestalt von Einsätzen, z. B. als Kleinuhren­ lager, in entsprechend größere Bohrungen des Gehäuses 10 einzusetzen.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht die Verwendung von Gegentaktwandlern zur weiteren Verbesserung der Signalqualität des Dop­ pelwandlers vor. Fig. 3 zeigt den entsprechend modifizierten Doppelwand­ ler. Die in Fig. 1 und 2 dargestellten Wandler 20 sind in diesem Fall durch symmetrische Gegentaktwandler 30 ersetzt. Die Gegentaktwandler 30 enthalten jeweils eine Membran 31 und zwei symmetrisch parallel zur Mem­ bran angeordnete Gegenelektroden 32 sowie zwei Distanzscheiben 33 zur Einstellung des Abstandes zwischen der Membran 31 und den beiden Gegen­ elektroden 32. Derartige Gegentaktwandler ergeben aufgrund ihres symme­ trischen Aufbaus eine besonders hohe Linearität bei der Umwandlung der akustischen Signale in die äquivalenten elektrischen Signale. Diese Tat­ sache hat für den erfindungsgemäß ausgeführten Doppelwandler insofern Bedeutung als die damit im Vergleich zum bekannten Doppelwandler erreichte hohe Wandlerempfindlichkeit auch entsprechend höhere Membran­ auslenkungen zur Folge hat, die im Falle der unsymmetrisch ausgeführten Wandler 20 in Fig. 1 und 2 zu erhöhten Wandlerverzerrungen führen können.

Claims (12)

1. Doppelwandler für Kondensatormikrofone mit variabler Richtcharakte­ ristik, bestehend aus einer symmetrischen Anordnung von zwei Wandlern (20, 30) mit in entgegengesetzter Richtung weisenden nie­ renförmigen Richtcharakteristiken und einem die Wandler verbinden­ den und Volumina umschließenden Gehäuse (10), dadurch gekennzeichnet, daß die Volumina sowohl durch weite als auch durch enge akustische Durchlässe (14, 15) axial und radial symmetrisch im Bereich des Gehäuses (10) mit dem den Wandler umgebenden Raum verbunden sind, deren gesamtheitliche akustische Impedanz einen definierten, bei tiefen Frequenzen konstanten und zu hohen Frequenzen hin ansteigenden Verlauf aufweist und eine auch bei tiefen Frequenzen nierenförmige Richtcharakteristik ergibt.

2. Doppelwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß seine beiden Wandler durch ein einheitliches, unterbrechungsfreies Gehäu­ sevolumen miteinander verbunden sind.

3. Doppelwandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die engen Durchlässe durch einen im wesentlichen umlaufenden Ring­ spalt gebildet sind.

4. Doppelwandler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Ring­ spalt durch Segmente unterbrochen ist.

5. Doppelwandler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Seg­ mente aus einer Folienzwischenlage bestehen, welche benachbarte Abschnitte des Gehäuses verbindet.

6. Doppelwandler nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Begrenzungsflächen des engen Durch­ lasses von der Gegenelektrode des zugehörigen Wandlers und der zuge­ wandten Stirnseite des Gehäuses gebildet werden.

7. Doppelwandler nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der weite Durchlaß aus radialen Bohrun­ gen besteht.

8. Doppelwandler nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Bohrung von dem zentralen Loch eines Einsatzes erzeugt ist und der Einsatz in die Gehäusewand integriert ist.

9. Doppelwandler nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der weite Durchlaß in der Symmetrieebene des Gehäuses angeordnet ist.

10. Doppelwandler nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die engen und weiten Durchlässe in der gleichen Radialebene des Gehäuses angeordnet sind.

11. Doppelwandler nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die gemeinsame Radialebene die in der Mitte des Gehäuses angeordnete Symmetrieebene ist.

12. Doppelwandler nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der beiden Wandler als ein Gegen­ taktwandler mit zwei Gegenelektroden ausgeführt ist.