DE975174C - Vorrichtung zur Glaettung des Frequenzgangs des UEbertragungsmasses eines Mikrofons - Google Patents

Description

AUSGEGEBEN AM 14. SEPTEMBER 1961

K 20318 Villa/21 a²

ist als Erfinder genannt worden

eines Mikrofons

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung für ein Mikrofon, dessen durch Schallwellen in Schwingungen versetzte Membran durch ihre Bewegungen eine Modulation der Mikrofonströme bewirkt.

Membran-Mikrofone zeigen meist ausgesprochene Resonanzstellen im Frequenzband der elektrischen Schwingungen des Mikrofonstromes, jeweils dann, wenn die Frequenzen der auftreffenden Schallwellen mit der Frequenz einer Grund- oder Oberschwingung der Membran oder anderer Mikrofonteile übereinstimmen.

Der Konstrukteur strebt danach, durch geeignete Ausbildung des Mikrofons, insbesondere aber der Membran, z. B. Wahl besonderer Materialien oder bestimmter Abmessungen, einen ausgeglichenen Frequenzgang des Übertragungsmaßes zu erhalten. Bei kleineren' Geräten, z. B. Mikrofonkapseln für Telefonapparate, kann man jedoch bei praktisch allen bisher bekanntgewordenen Aus-

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führungen deutliche Resonanzbereiche der Membran feststellen. Oft machen sich auch Eigenschwingungen des Mikrofongehäuses oder einzelner Gehäuseteile störend bemerkbar. Die Erfindung hat den Zweck, diese frequenzabhängige Resonanz durch eine Vorrichtung zu unterdrücken oder wenigstens stark abzudämpfen. Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß eine aus beliebigem Material hergestellte Membran, ίο die ausgeprägte Eigenschwingungsfrequenzen zeigt, dadurch als Mikrofonmembran ohne stärkere, störende Resonanzwirkungen verwendbar ist, daß die Membran daran gehindert wird, in ihren Eigenschwingungs- (Resonanz-) Bereichen größere is Schwingungsausschläge zu erreichen. Es hat sich gezeigt, daß es durch geeignete Dämpfung bestimmter Membranstellen und durch Abschirmung dieser Stellen gegen den unmittelbaren Einfluß der Schallwellen möglich ist, einen Frequenzgang ohne ao ausgeprägte Resonanzbereiche zu erhalten.

Es ist an sich nicht mehr neu, den Frequenzgang

eines elektroakustischen Apparates, der eine Membran enthält, dadurch zu verbessern, daß man in der Nähe der Membran Dämpfungsglieder einbaut.

So ist z. B. eine Ausführung eines solchen elektroakustischen Apparates bekanntgeworden, bei der hinter der Membran eine Scheibe angebracht wird, die im wesentlichen nur den zentralen Teil der Membran beeinflußt, indem sie die Bewegung des am stärksten schwingenden Membranzentrums dämpft. Dabei steht der Luftraum zwischen der Scheibe und der schwingenden Membran über einen verhältnismäßig breiten Ringluftspalt am Umfang der Scheibe mit dem Innern des Gehäuses in Verbindung. Die Wirkung einer derartigen Dämpfungsscheibe ist aber durchaus ungenügend, da die Außenfläche der Membran — auf die die Schallwellen auftreffen, wenn das Gerät als Mikrofon verwendet wird — praktisch vollkommen frei liegt. Es ist auch bereits bekannt, unmittelbar vor der eigentlichen Membran des Gerätes eine zweite, stärkere Membran mit einer großen zentralen öffnung und/oder mit einem Kranz zahlreicher kleinerer öffnungen zu versehen. Die beiden Membranen bilden ein über den Luftraum zwischen ihnen gekoppeltes Schwingungssystem, das vorwiegend dämpfend wirkt/indem es durch die verhältnismäßig enge Kopplung der beiden Membranen deren störende Eigenfrequenzen dämpft. Auch eine derartige Anordnung gestattet es nicht, einen Frequenzgang ohne deutlich ausgeprägte Resonanzbereiche zu erzielen.

Es ist fernerhin nicht mehr neu, in unmittelbarer Nähe einer schwingenden Membran ausgesprochene Resonanzglieder vorzusehen, die die Aufgabe haben, »Löcher« im Frequenzgang des Gerätes durch Ausbildung einer die Schwingweite in diesen Bereichen erhöhenden Resonanz gewissermaßen »auszufallen«. Als Resonanzglieder werden plane, selbst nicht schwingende Scheiben verwendet, die durch besondere Einstellvorrichtungen auf einen bestimmten Abstand von der Membranfläche einstellbar sind. Diese planen Scheiben sollen als Reflektionswände wirken; sie müssen deshalb verhältnismäßig große Abstände von der Membran haben.

Schließlich hat man auch schon Filter zum Dämpfen bestimmter Frequenzen vorgesehen, um besonders hervortretende Resonanzspitzen im Frequenzgang eines elektroakustischen Gerätes mit schwingender Membran zu beseitigen. Ein solches Filter besteht z. B. aus zwei in sehr geringem Abstand voneinander angeordneten, mit regelmäßig verteilten und einander gleichen Bohrungen versehenen Platten, deren Bohrungen seitlich gegeneinander versetzt angeordnet sind. Sowohl der Abstand der beiden Platten voneinander als auch die seitliche Versetzung der Bohrungen gegeneinander ist einstellbar. Dieses Filter wird vor der Membran des Gerätes angeordnet. Es dürfte ohne weiteres klar sein, daß ein solches Filter praktisch über seine gesamte Fläche gleichmäßig wirkt, keinesfalls jedoch besonders ausgewählte Membranstellen gegen den unmittelbaren Einfluß der Schallwellen abschirmt, um einen Frequenzgang ohne ausgeprägte Resonanzbereiche zu ergeben.

Bei Kristallmikrofonen mit Rechteckmembranen aus dünner Folie, die nach Art eines Walmdaches geformt sind und einen umlaufenden ebenen Rand aufweisen, hat man zum Festlegen der Membran auf dem Mikrofongehäuse auch bereits Deckel vorgeschlagen, die außer einer großen zentralen öffnung vor der Mitte der Membran noch zwei weitere kleinere öffnungen aufweisen, die symmetrisch zur Membranmitte vor denjenigen Teilen der rechteckigen Membran liegen, die von den durch die zentrale öffnung hindurchtretenden Schallwellen nicht unmittelbar getroffen werden.

Der durch die dachförmige Versteifung der dünnen Folienmembran entstehende pyramidenähnliche Luftraum zwischen Membran und Deckel soll dabei zusammen mit den Öffnungen des Deckels eine Filterwirkung ergeben; eine Glättung des Frequenzgangs kann jedoch durch eine derartige An-Ordnung nicht erzielt werden, da keine Dämpfung von Resonanzbereichen der Membran eintritt.

Die Erfindung besteht im wesentlichen darin, daß man zur Glättung des Frequenzganges des Übertragungsmaßes eines Mikrofons, bei dem vor der schwingenden. Membran eine praktisch als starr anzusehende, Durchbrüche aufweisende feste' Platte angeordnet ist, die Durchbrüche in der in geringem Abstand von der Membran im wesentlichen parallel zu ihr liegenden, die ganze Membranfläche abdeckenden Platte unregelmäßig verteilt und sie mit unterschiedlicher Größe ausführt.

Die unregelmäßig verteilte Durchbrüche unterschiedlicher Größe aufweisende feste Platte schirmt jeweils bestimmte Teile der Membranfläche ab und iao läßt andere Teile frei, so daß sie von den ankommenden Schallwellen unmittelbar getroffen werden können, während ein zwischen der Membran und der festen Platte befindliches elastisches, dämpfendes und/oder komprimierbares Medium, z. B. Luft, insbesondere die unerwünschten Re-

sonanzschwingungen der Membran dämpft. Außerdem stellt der Luftraum zwischen der Membran und der vor dieser Membran liegenden festen Platte im Zusammenhang mit den Durchbrächen offenbar auch einen Mehrfachresonator dar.

Theoretische Untersuchungen der sich dabei abspielenden Vorgänge sind wegen der unregelmäßigen Anordnung der Durchbrüche in der starren Platte vor der Membran kaum möglich.

ίο Die neue Ausführungsform, die sich als besonders vorteilhaft bewährt hat, wurde auch nicht auf Grund theoretischer Überlegungen, sondern durch eine Vielzahl praktischer Versuche gefunden. Bei diesen Versuchen wurde die ursprünglich recht verwickelte Konstruktion der Glättungsvorrichtung durch schrittweise durchgeführte Änderungen immer mehr vereinfacht und vervollkommnet. Bei zahlreichen, auch von neutralen Stellen durchgeführten Versuchen zeigte sich überraschender-

ao weise, daß mit der erfindungsgemäßen Ausführung der Vorrichtung zur Glättung des Frequenzganges auch der elektroakustische Wirkungsgrad der Geräte noch verbessert werden konnte.
Die durch die unregelmäßig verteilten Durchbrüche der festen Platte hindurchtretenden Schallwellen sollen vornehmlich eine unmittelbare Beschallung der »trägen« Zonen der Membran ermöglichen. .Durch die unterschiedliche Größe der Lochdurchmesser erhält man — neben der Begrenzung der Schallungsintensität — auch eine gewisse Selektivität hinsichtlich der Schallfrequenz.

Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, die Membran nur an ihrer der Schallquelle zugewendeten Fläche durch eine in geringem Abstand von dieser Fläche angeordnete, im wesentlichen parallel zur Membran liegende Platte mit unregelmäßig verteilten Durchbrüchen unterschiedlicher Größe abzudecken. Da bei den Oberwelleneigenschwingungen der Membran jeweils im wesentlichen ring-

förmige Schwingungszonen in bestimmten Abständen voneinander auftreten, zwischen denen »träge« Zonen liegen, sollen diese Durchbrüche vorzugsweise als ringförmige Schlitze über diesen trägen Membranzonen ausgeführt sein.

Bei kleineren Mikrofonen bringt aber auch eine einfachere Lösung guten Erfolg. Die für eine Telefonsprechkapsel zweckmäßige Ausführungsform ergibt sich z. B. in der Weise, daß die kreisförmige, an ihrem Umfang eingespannte Membran von einer starren Abdeckscheibe abgeschirmt wird, die in einem Abstand vom 0,05- bis 0,01 fachen des freien Membrandurchmessers vor der Membran angeordnet ist. Diese Abdeckscheibe weist nur in einer außerhalb des Bereiches der Membranmitte liegenden Ringzone unregelmäßig verteilte Löcher mit unterschiedlichen Durchmessern auf. Dabei werden die Löcher auf der Abdeckscheibe so verteilt, daß sie jeweils unmittelbare Beschallung der »trägen« Zonen der Membran ergeben.

Durch die unterschiedliche Größe der Lochdurchmesser erhält man — neben der Begrenzung der Beschallungsintensität ■— auch eine gewisse Selektivität hinsichtlich der Schallfrequenzen.

Die durch die unregelmäßig verteilten Löcher hindurchtretenden Schallwellen bewirken überdies zusätzliche unsymmetrische Schwingungen der Membran, die zu Pendelbewegungen der mit der Membran verbundenen Elektrode führen.

Es läßt sich kein allgemeines Gesetz für die Größe und die Anordnung dieser Löcher in der Abdeckscheibe der Membran angeben, da sowohl die Anzahl als auch der Durchmesser der Löcher von einer Reihe von Faktoren abhängig sind, die sich nicht immer einwandfrei rechnerisch erfassen lassen. Versuche haben jedoch ergeben, daß bei gleicher Membranstärke, gleichem Durchmesser und gleicher Einspannung bestimmte Lochanordnungen besonders vorteilhaft sind und daher für eine ganze Fabrikationsserie beibehalten werden können.

Die mit einer solchen Abdeckscheibe erreichbare Verbesserung des Frequenzganges ist überraschend. Es lassen sich die bisher üblichen Resonanzstellen sehr weitgehend unterdrücken. Dadurch wird die Güte der Tonübertragung der Sjirechkapsel ganz wesentlich gesteigert.

Für die technische Ausführung erweist es sich als günstig, wenn die mit ihrem Rand an einer ringförmigen Auflagefläche des Mikrofongehäuses anliegende Membran durch einen in Richtung auf go die Membran abgekröpften radialen Randflansch der Abdeckscheibe, der beim Zusammenbau des Mikrofons auf den Membranrand gepreßt wird, an ihrem Rand eingespannt ist.

Zum Schutz der im Innern des Mikrofons oder der Sprechkapsel liegenden Teile wird zweckmäßig die gesamte äußere Fläche der Platte oder Abdeckscheibe einschließlich der Durchbrüche oder Bohrungen mit einer sehr dünnen, feuchtigkeitsdichten Folie überzogen.

Diese Folie kann durch einen elastischen, mit Druck auf dem Randflansch der Platte oder Abdeckscheibe aufliegenden Preß ring festgespannt werden.

Weiterhin haben die Versuche gezeigt, daß es für die Unterdrückung der Resonanz vorteilhaft ist, wenn das gesamte Mikrofongehäuse, gegebenenfalls auch die Abdeckscheibe sowie weitere Mikrofonteile, nicht — wie bisher meist üblich — aus Blech oder stärkerem Metall, sondern aus Kunststoff mit Metalleinlagen gefertigt sind. Der unterschiedliche Elastizitätsmodul von Kunststoff und Metalleinlage läßt es bei derartigen Teilen nicht zu ausgesprochenen Resonanzschwingungen kommen, die bei gleich großen, aus Blech gepreßten Mikrofonen oder Sprechkapseln auftreten.

In der Zeichnung ist die Erfindung beispielsweise dargestellt. Es zeigt

Fig. ι eine Telefonsprechkapsel im Schnitt in stark vergrößertem Maßstab, iao

Fig. 2 eine Abdeckplatte in Aufsicht in weniger vergrößertem Maßstab.

In das Kunststoffgehäuse 1 der Sprechkapsel ist die innerhalb der Kontaktkappe 2 sitzende feste Elektrode 3 eingepreßt. Die Elektrode 3 ragt in die Kohlegrießkammer 4 hinein, die zum größten Teil

mit Kohlegrieß gefüllt ist. Die Membran 5 trägt in ihrer Mitte die gegenüber der Elektrode 3 in die Kohlegrießkammer hineinragende, schwingende Elektrode 6. Ein leichter, aus einem Textilgewebe 5 oder aus einem Kunststoff bestehender Dichtungsring 7, der durch eine Kunststoffkappe 8 festgehalten wird, dichtet die Kohlegrießkammer 4 gegen die schwingende Elektrode 6 ab. Dieser Ring ist so dünn, daß er die Schwingbewegungen der Elektrode praktisch nicht beeinflußt.

In das Kunststoffgehäuse 1 ist eine als Kontaktelement für die Membran 5 und für die mit dieser Membran schwingende Elektrode 6 dienende Metallversteifung9 eingepreßt. Der äußere Rand<)_a dieser Metallversteifung dient als Auflage für den Membranrand Sa- Die Membran 5 ist auf ihrer Außenseite durch eine Abdeckscheibe 10 abgedeckt, deren abgekröpfter Außenrand io_a auf dem Rand5„ der Membran 5 aufliegt. Die Abdeckscheibe 10 hat eine Reihe von Löchern 11, die voneinander abweichende Durchmesser d¹ bis d⁶ und unterschiedliche Mittelpufiktabstände r¹ bis r⁶ von dem Mittelpunkt der Membran 5 haben; sie sind von einer die ganze Scheibe 10 an der Außenseite überspannenden, dünnen und feuchtigkeitsabweisenden Folie 12 abgedeckt. Ein elastischer Dichtungsring 13, der in einer Ringklammer (nicht dargestellt) oder in einer Nut des die Mikrofonteile zusammenpressenden Schutzdeckels 14 liegt, drückt die Ränder der Metallversteifung 9, der Membran 5, der Abdeckscheibe 10 und der Folie 12 fest aufeinander und sichert so die Einspannung des Randes der Membran 5. In dem (nur gestrichelt dargestellten) vorderen Schutzdeckel 14 sind Löcher 15 vorgesehen, die das Durchtreten der Schallwellen in den Raum vor der Membran gestatten.

Die Membran 5 ist auf der der Schallquelle zugewandten Seite durch die Abdeckscheibe 10 zum größeren Teil abgedeckt. Der Abstand α zwischen Membran 5 und Abdeckscheibe 10 ist kleiner als ein Fünfzigstel des freien Membrandurchmessers. Die Luft in diesem engen Raum zwischen der Membran 5 und den geschlossenen Flächenteilen +5 der als starr anzusehenden Abdeckscheibe 10 wirkt als ein die Schwingungen der Membran 5 hemmendes Dämpfungspolster. Die Beschallung der Membran 5 erfolgt nur durch die Löchern, deren Durchmesser und Abstand vom Mittelpunkt der Membran so gewählt sind, daß vorzugsweise die »tragen« Zonen der Membran von den Schallschwingungen unmittelbar getroffen werden. Auf der Rückseite der Membran 5 ergibt sich durch den engen Luftraum zwischen der Membran 5 und der Kunststoffkappe 8 der Kohlegrießkammer 4 ebenfalls eine zusätzliche Dämpfung, da das Luftpolster in dem Raum zwischen Membran 5 und Kunststoffkappe 8, die voneinander nur den kleinen Abstand b haben, ebenfalls als dämpfendes Polster wirkt.

Die bisher bekannten Telefonsprechkapseln wurden ohne die Abdeckplatte oder Abdeckscheibe 10 ausgeführt; man verwendete zum Anpressen der Membran 5 an die ringförmige Anlagefläche g_a lediglich einen einfachen, weit ausgeschnittenen Druckring und schützte die Membran vor Beschädigung durch die gestrichelt in Fig. 1 dargestellte, mit regelmäßig verteilten Löchern versehene Schutzhaube 14. Ein Vergleich der Lufträume zwischen der Abdeckplatte 10 gemäß der Erfindung und der bisher verwendeten Schutzhaube 14 zeigt deutlich, daß bei der alten Ausführung von einer selektiven Beschallung der Membranfläche keine Rede sein konnte, da die durch die Löcher 15 der Schutzhaube 14 hindurchtretenden Schallwellen praktisch die ganze schwingende Fläche der Membran treffen. Bei der Ausführung nach der Erfindung ist es klar, daß durch ein Loch 11 eintretende Schallwellen nur den unmittelbar hinter diesem Loch liegenden Teil der Membran 5 zu Schwingungen anstoßen können, während die anderen, durch die geschlossenen Flächen der Abdeckplatte 10 verdeckten Teile von den Schallwellen praktisch nicht beeinflußt werden.

Die Anordnung der in der Abdeckplatte 10 vorgesehenen. Löcher 11 in einer Ringzone der Abdeckplatte bewirkt noch eine weitere, neuartige Beeinflussung der Membran 5, indem die durch die Löcher hindurchtretenden Schallwellen in der Membran asymmetrische Schwingungen erzeugen, bei denen die schwingende Elektrode 6 nicht nur nach Art eines Kolbens in die Kohlegrießkammer hinein- und wieder zurückgedrückt wird, sondern auch Pendelbewegungen um eine senkrecht zur Achse der Sprechkapsel liegende Achse ausführt. Es ist anzunehmen, daß diese durch die asymmetrische Anordnung der Löcher erzwungenen asymmetrischen Membranschwingungen wesentlich zu dem guten Frequenzgang der Sprechkapsel gemäß der Erfindung beitragen.

Claims (7)

PATENTANSPRÜCHE:

1. Vorrichtung zur Glättung des Frequenzganges des Übertragungsmaßes eines Mikrofons, bei der vor der schwingenden Membran des Mikrofons eine mit Durchbrüchen versehene, die Membranfläche abdeckende starre Platte angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchbrüche (n) der in geringem Abstand vor der ebenen Membran (5) parallel zu dieser angeordneten Platte (10) zur unmittelbaren Schallbeaufschlagung der tragen Zirkularzonen der Membran unregelmäßig verteilt sind und unterschiedliche Größe besitzen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchbrüche die Form konzentrischer, unterschiedlich breiter Ringschlitze oder ringähnlicher Schlitze haben.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, insbesondere für eine Telefonsprechkapsel mit kreisförmiger, am Umfang eingespannter Membran, dadurch gekennzeichnet, daß als starre Platte eine Abdeckscheibe (10) in einem Abstand vom 0,05- bis o.oifachen des freien ^la5 Membrandurchmessers vor der Membran (5)

angeordnet ist und diese Abdeckscheibe nur in einer außerhalb des Bereiches der Membranmitte liegenden Ringzone unregelmäßig verteilte Löcher (ii) mit unterschiedlichen Durchmessern aufweist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die mit ihrem Rand (5_a) an einer ringförmigen Auflagefläche (o._a) des Kapselgehäuses (1) anliegende Membran (5) durch einen in Richtung auf die Membran abgekröpften radialen Randflansch (io_fl) der Abdeckscheibe, der beim Zusammenbau des Mikrofons auf den Membranrand gepreßt wird, an ihrem Rand (5_a) eingespannt ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1 und/oder einem der folgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die gesamte äußere Fläche der festen Platte oder Abdeckscheibe (10) einschließlich der Durchbrüche oder Löcher (11) mit einer sehr dünnen, feuchtigkeitsdichten Folie (12) überzogen ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Folie (12) durch einen elastischen, mit Druck auf dem Randflansch der Platte oder Abdeckscheibe (10) aufliegenden Preßring (13) festgespannt ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1 und/oder einem der folgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Abdeckscheibe sowie weitere Geräteteile aus Kunststoff mit Metalleinlagen gefertigt sind.

In Betracht gezogene Druckschriften:

Deutsche Patentschrift Nr. 722 045;

britische. Patentschriften Nr. 303 470, 341 495; USA.-Patentschrift Nr. 2 645 301.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen