EP0084362B1 - Geräuschkompensiertes Nahbesprechungsmikrophon - Google Patents

Geräuschkompensiertes Nahbesprechungsmikrophon Download PDF

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EP0084362B1
EP0084362B1 EP83100305A EP83100305A EP0084362B1 EP 0084362 B1 EP0084362 B1 EP 0084362B1 EP 83100305 A EP83100305 A EP 83100305A EP 83100305 A EP83100305 A EP 83100305A EP 0084362 B1 EP0084362 B1 EP 0084362B1
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EP
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diaphragm
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membrane
talking microphone
microphone according
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Johann Irnstetter
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Telemit-Electronic GmbH
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Telemit-Electronic GmbH
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    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; ELECTRIC HEARING AIDS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R1/00—Details of transducers, loudspeakers or microphones
    • H04R1/08—Mouthpieces; Microphones; Attachments therefor
    • H04R1/083—Special constructions of mouthpieces
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; ELECTRIC HEARING AIDS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R1/00—Details of transducers, loudspeakers or microphones
    • H04R1/20—Arrangements for obtaining desired frequency or directional characteristics
    • H04R1/22—Arrangements for obtaining desired frequency or directional characteristics for obtaining desired frequency characteristic only 
    • H04R1/222—Arrangements for obtaining desired frequency or directional characteristics for obtaining desired frequency characteristic only  for microphones

Definitions

  • the invention relates to a noise-compensated close-range microphone with a housing, with a membrane and with a mechanical-electrical transducer element embedded in the membrane.
  • Microphones are generally known in which the electrical alternating voltage is generated on the basis of the differential movement between the membrane and a rigid transducer element, for example a magnet or a counter electrode, which is mounted in the microphone housing.
  • a rigid transducer element for example a magnet or a counter electrode
  • such a converter principle leads to a geometrically asymmetrical structure, which leads to an acoustic asymmetry, i.e. the transmission frequency response of the microphone for sound impinging on the front and on the back does not exactly match, so that the microphone only partially compensates for diffuse sound.
  • a precisely shaped and supported membrane which must be protected against harsh operating conditions, is also required in many cases.
  • a microphone according to the preamble of claim 1 is also known, in which the transducer element in the form of a piezo crystal is embedded in an elastic membrane, the membrane deforming forces on the piezoelectric part of the transducer exercises.
  • the membrane deforming forces on the piezoelectric part of the transducer exercises.
  • the piezo crystal being destroyed if excessive deformation forces occur on the membrane, so that this arrangement is relatively sensitive.
  • the exact design of the membrane is very difficult due to the piezoelectric element embedded therein, since the membrane must have a considerable thickness.
  • a microphone is also known (US-A-4 013 992) which also works with a membrane in which a piezo-electric element is embedded. With this microphone, both sides of the membrane are subjected to the external pressure and thus the sound, but the back of the membrane is very heavily shaded by the housing and the same problems as with the microphone described above arise with regard to the risk of damage.
  • the invention has for its object to provide a noise-compensated close-talking microphone of the type mentioned, which has a very simple structure, high noise compensation and insensitivity to wind noise and harsh operating conditions.
  • the transducer system in the form of an accelerometer embedded in the membrane forms a closed system with the latter and enables a very robust membrane dimensioning.
  • it is not the differential movement between the membrane and a rigid transducer element or the deformation of a piezoelectric element that is converted by the membrane into an electrical voltage, but rather the force required to accelerate the seismic mass of the accelerometer.
  • the accelerometer is mechanically completely symmetrically embedded in the membrane, so that an oscillating unit is formed that works completely symmetrically even without precise storage in the frequency range of the microphone to be transmitted and compensates for diffuse sound.
  • accelerometers in transducers, for example in hearing aids, is known as such (US Pat. No. 3,486,047), but in this case the accelerometer is not embedded in a membrane, but rather is integrated into a membrane Housing brought into contact with a vibrating object.
  • the membrane can be formed over a large area without affecting the symmetry and its proportions can be adapted to the geometry of the sound source, namely the mouth. This results in optimal useful sound transmission and compensation for changes in volume that arise in the case of point-picking microphones, for example noise-compensated electret microphones when speaking, in which the distance between the sound source and the microphone changes due to mouth movements.
  • the air flow that occurs during speech strikes only a part of the membrane, while the entire membrane surface is effective for the useful sound, so that wind noise is reduced to such an extent that no wind protection is required.
  • the rear of the membrane Since the front of the membrane is shaded when speaking through the mouth to diffuse sound at higher frequencies, the rear of the membrane is also shaded by a housing for reasons of acoustic symmetry, which at high wind speeds, such as occur when using the microphone in moving open vehicles, the rear of the membrane protects against vertical wind and acts as a windbreak.
  • the exposed membrane is made of an elastic, damping material and does not require any mechanical protection, so that the structure is simple. Since the accelerometer and its electrical connections are embedded in the elastic membrane, the microphone is also immersed in water and pressurized water. The invention is explained in more detail below with reference to an embodiment shown in the drawing.
  • the close-range microphone shown in the drawing has a membrane 1, in which an accelerometer 4 is embedded, leads 8 of the accelerometer also being embedded in the membrane 1.
  • the membrane 1 has, in the manner shown in FIG. 2, an elongated shape and is clamped along its narrow sides in a housing 2 which is U-shaped in longitudinal and cross-section, this clamping being carried out with the aid of pins 6 which extend through side walls of the housing 2 extend through.
  • the thickness of the membrane 1 is reduced by grooves 3, these grooves lowering and dampening the natural resonance of the membrane 1, while the structure-borne noise sensitivity is reduced by the fact that the bearing 6, the groove 3 and the mass of the membrane middle part 7 form a mechanical low-pass filter between the microphone housing and the acceleration sensor.
  • the membrane mass is determined in such a way that the sensitivity to speech transmission through airborne sound and structure-borne sound at the larynx is equally high, so that the microphone can also be used as a larynx microphone for applications in which lip microphones are unsuitable without changing the amplification at the same speech volume.
  • the membrane touches the larynx.
  • the U-shaped housing 2 results in shading of the back of the membrane, so that the shading of the front of the membrane is compensated for when speaking through the mouth with respect to diffuse sound of higher frequencies.
  • the microphone housing 2 also acts as a windbreak for the back of the membrane.
  • the membrane 1 is made of elastic, damping material and does not require any mechanical protection, since even larger impurities, which are unavoidable in harsh operating conditions, do not impair the function of the microphone, because, unlike conventional microphones, the sound paths to the membrane remain symmetrical and not contaminated Protective grids and protective membranes are disturbed or closed.
  • the membrane 1 has a high mass in relation to adhering water or dirt, so that even a microphone immersed in water after the water has dripped off from large sound openings 5 formed in the side walls of the housing 2 is immediately functional again. This also makes cleaning the microphone easy.
  • the acceleration sensor like its feed lines, is arranged symmetrically to the thickness of the membrane 1, the center of the acceleration sensor 4 preferably coinciding with the center of the surface of the membrane 1.
  • the dimensions of the membrane are preferably chosen so that their surface is adapted to the shape and size of the sound source, for example the mouth.
  • the acceleration sensor 4 is embedded in the membrane 1 in such a way that its main direction of sensitivity is perpendicular to the surface of the membrane.

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Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf ein geräuschkompensiertes Nahbesprechungsmikrophon mit einem Gehäuse, mit einer Membrane und mit einem in die Membrane eingebetteten mechanisch-elektrischen Wandlerelement.
  • Es sind allgemein Mikrophone bekannt, bei denen die elektrische Wechselspannung aufgrund der Differenzbewegung zwischen der Membrane und einem im Mikrophongehäuse gelagerten starren Wandlerelement, beispielsweise einem Magneten oder einer Gegenelektrode erzeugt wird. Ein derartiges Wandlerprinzip führt bei einer mechanisch kostengünstigen Lösung zu einem geometrisch unsymmetrischen Aufbau, der zu einer akustischen Unsymmetrie führt, d.h. der Übertragungsfrequenzgang des Mikrophons für auf die Vorderseite und auf die Rückseite auftreffenden Schall stimmt nicht exakt überein, so dass das Mikrophon diffusen Schall nur teilweise kompensiert. Bei derartigen bekannten Mikrophonen ist weiterhin in vielen Fällen eine präzise geformte und gelagerte Membrane, die gegenüber rauhen Betriebsbedingungen geschützt werden muss, erforderlich. Ein mechanischer Schutz in Form von Schutzgittern und Schutzmembranen erhöht den mechanischen Aufwand und verschlechtert die Geräuschkompensation, da die Schutzmembranen den Schallumweg, der möglichst gering sein soll, vergrössern und bei geringen Fertigungstoleranzen oder mechanischen Beschädigungen den Übertragungsfrequenzgang der Membran unterschiedlich verändern und damit die akustische Symmetrie stören. Bei druckwasserdichten Ausführungen von derartigen Mikrophonen werden die Schutzmembranen erheblich belastet und der Frequenzgang verändert, da ein Druckausgleich wegen eindringenden Wassers nur aufwendig realisierbar ist. Da auch die Schutzmembranen gegenüber rauhen Einsatzbedingungen selbst geschützt sein müssen, sind zusätzlich Schutzgitter erforderlich, die jedoch verschmutzen und sich verschliessen können und dann eine aufwendige Instandsetzung durch Reinigen erfordern.
  • Aus der DE-A-3 020 167 ist weiterhin ein Mikrophon nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 bekannt, bei dem das Wandlerelement in Form eines Piezo-Kristalls in eine elastische Membran eingebettet ist, wobei die Membran auf den piezo-elektrischen Teil des Wandlers Verformungskräfte ausübt. Hierbei besteht jedoch die Gefahr einer Zerstörung des Piezo-Kristalls bei Auftreten übermässiger Verformungskräfte auf die Membrane, so dass diese Anordnung relativ empfindlich ist. Weiterhin ist die exakte Auslegung der Membrane aufgrund des darin eingebetteten piezo-elektrischen Elementes sehr schwierig, da die Membrane eine erhebliche Dicke aufweisen muss.
  • Es ist weiterhin ein Mikrophon bekannt (US-A-4 013 992), das ebenfalls mit einer Membrane arbeitet, in die ein piezo-elektrisches Element eingebettet ist. Bei diesem Mikrophon werden beide Seiten der Membrane mit dem Aussendruck und damit dem Schall beaufschlagt, doch wird die Rückseite der Membran durch das Gehäuse sehr stark abgeschattet und es ergeben sich hinsichtlich der Beschädigungsgefahr die gleichen Probleme wie bei dem vorstehend beschriebenen Mikrophon.
  • Ein weiteres Problem bei Nahbesprechungsmikrophonen besteht in der Unterdrückung der beim Sprechen entstehenden Windgeräusche. Da der Luftstrom erst unmittelbar auf der Membranfläche umgelenkt wird und dort das eigentliche Windgeräusch erzeugt, ergeben sich für das Mikrophon unterschiedliche Abstände zwischen Nutzschallquelle und Windgeräuschquelle, so dass Windgeräusche viel stärker übertragen werden als der Nutzschall und die Sprachverständlichkeit reduziert wird. Ein Windschutz ist nur wirksam, wenn er den Luftstrom weit vor der Membrane umlenkt, wodurch sich der Abstand zur Nutzschallquelle jedoch weiter vergrössert und der akustische Geräuschabstand verringert wird.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein geräuschkompensiertes Nahbesprechungsmikrophon der eingangs genannten Art zu schaffen, das bei sehr einfachem Aufbau eine hohe Geräuschkompensation und eine Unempfindlichkeit gegen Windgeräusche und rauhe Einsatzbedingungen aufweist.
  • Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs angegebenen Merkmale gelöst.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
  • Bei dem erfindungsgemässen Nahbesprechungsmikrophon können sämtliche Massnahmen zum mechanischen Schutz der Membrane entfallen, da das Wandlersystem in Form eines in die Membrane eingebetteten Beschleunigungsaufnehmers mit dieser ein abgeschlossenes System bildet und eine sehr robuste Membrandimensionierung ermöglicht. Bei dem erfindungsgemässen Nahbesprechungsmikrophon wird nicht die Differenzbewegung zwischen der Membrane und einem starren Wandlerelement oder die Verformung eines piezo-elektrischen Elementes durch die Membrane in eine elektrische Spannung umgewandelt, sondern die zur Beschleunigung der seismischen Masse des Beschleunigungsaufnehmers erforderliche Kraft. Der Beschleunigungsaufnehmer ist mechanisch vollständig symmetrisch in die Membrane eingebettet, so dass eine schwingende Einheit gebildet wird, die auch ohne präzise Lagerung im zu übertragenden Frequenzbereich des Mikrophons vollständig symmetrisch arbeitet und diffusen Schall kompensiert.
  • Die Anordnung von Beschleunigungsaufnehmern in Wandlern, z.B. in Hörgeräten, ist als solche bekannt (US-A-3 486 047), doch ist hierbei der Beschleunigungsaufnehmer nicht in eine Membrane eingebettet, sondern er wird über ein Gehäuse mit einem schwingenden Objekt in Kontakt gebracht.
  • Die Membrane lässt sich ohne Beeinträchtigung der Symmetrie grossflächig ausbilden und in seinen Proportionen der Geometrie der Schallquelle, nämlich dem Mund anpassen. Hierdurch ergibt sich eine optimale Nutzschallübertragung und eine Kompensation von Lautstärkeänderungen, die bei punktförmig aufnehmenden Mikrophonen, beispielsweise geräuschkompensierten Elektret-Mikrophonen beim Sprechen entstehen, bei denen sich aufgrund der Mundbewegungen der Abstand zwischen der Schallquelle und dem Mikrophon ändert. Der beim Sprechen entstehende Luftstrom trifft nur auf einen Teil der Membrane auf, während für den Nutzschall die gesamte Membranfläche wirksam ist, so dass Windgeräusche so weit reduziert werden, dass kein Windschutz erforderlich ist.
  • Da die Membranvorderseite beim Besprechen durch den Mund gegenüber diffusen Schall höherer Frequenzen abgeschattet ist, wird aus Gründen der akustischen Symmetrie auch die Membranrückseite durch ein Gehäuse abgeschattet, das bei hohen Windgeschwindigkeiten, wie sie beim Gebrauch des Mikrophons in fahrenden offenen Fahrzeugen vorkommen, auch die Membranrückseite vor senkrecht auftreffendem Fahrtwind schützt und als Windschutz wirkt. Die freiliegende Membrane besteht aus einem elastischen dämpfenden Material und bedarf keinerlei mechanischen Schutzes, so dass sich ein einfacher Aufbau ergibt. Da der Beschleunigungsaufnehmer sowie dessen elektrische Anschlüsse in die elastische Membrane eingebettet sind, ist das Mikrophon auch tauch- und druckwasserfest. Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles noch näher erläutert.
  • In der Zeichnung zeigen:
    • Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine Ausführungsform des Nahbesprechungsmikrophons und
    • Fig. 2 eine Draufsicht auf das Nahbesprechungsmikrophon nach Fig. 1.
  • Das in der Zeichnung dargestellte Nahbesprechungsmikrophon weist eine Membran 1 auf, in die ein Beschleunigungsaufnehmer 4 eingebettet ist, wobei Zuleitungen 8 des Beschleunigungsaufnehmers ebenfalls in die Membran 1 eingebettet sind.
  • Die Membrane 1 weist in der aus Figur 2 ersichtlichen Weise eine langgestreckte Form auf und ist entlang ihrer Schmalseiten in ein im Längs- und Querschnitt U-förmiges Gehäuse 2 eingespannt, wobei diese Einspannung mit Hilfe von Stiften 6 erfolgt, die sich durch Seitenwände des Gehäuses 2 hindurch erstrecken. In der Nähe der Schmalseiten benachbart zur Einspannung ist die Stärke der Membrane 1 durch Nuten 3 verringert, wobei diese Nuten die Eigenresonanz der Membrane 1 erniedrigen und dämpfen, wobei gleichzeitig die Körperschallempfindlichkeit dadurch verringert wird, dass die Lagerung 6, die Nut 3 sowie die Masse des Membranmittelteils 7 einen mechanischen Tiefpass zwischen dem Mikrophongehäuse und dem Beschleunigungsaufnehmer bilden.
  • Die Membranmasse ist so bestimmt, dass die Empfindlichkeit für die Sprachübertragung durch Luftschall und Körperschall am Kehlkopf gleich hoch ist, damit das Mikrophon für Einsatzfälle, in denen Lippenmikrophone ungeeignet sind, ohne Verstärkungsänderung bei gleicher Sprachlautstärke auch als Kehlkopfmikrophon verwendet werden kann. Hierbei berührt die Membrane den Kehlkopf.
  • Durch das U-förmige Gehäuse 2 ergibt sich eine Abschattung der Membranrückseite, so dass die Abschattung der Membranvorderseite gegenüber diffusem Schall höherer Frequenzen beim Besprechen durch den Mund kompensiert ist. Das Mikrophongehäuse 2 wirkt gleichzeitig als Windschutz für die Membranrückseite. Die Membrane 1 besteht aus elastischem dämpfendem Material und bedarf keinerlei mechanischen Schutzes, da auch grössere Verunreinigungen, wie sie bei rauhen Einsatzbedingungen unvermeidbar sind, die Funktion des Mikrophons nicht beeinträchtigen, weil die Schallwege zur Membrane im Gegensatz zu üblichen Mikrophonen symmetrisch bleiben und nicht durch verschmutzte Schutzgitter und Schutzmembranen gestört bzw. geschlossen werden.
  • Die Membrane 1 besitzt eine im Verhältnis zu anhaftendem Wasser oder Schmutz hohe Masse, so dass auch ein in Wasser getauchtes Mikrophon nach dem Abtropfen des Wassers aus in den Seitenwänden des Gehäuses 2 ausgebildeten grossen Schallöffnungen 5 sofort wieder funktionstüchtig ist. Damit ist auch eine Reinigung des Mikrophons leicht durchzuführen.
  • Der Beschleunigungsaufnehmer ist ebenso wie seine Zuleitungen symmetrisch zur Dicke der Membrane 1 angeordnet, wobei vorzugsweise der Mittelpunkt des Beschleunigungsaufnehmers 4 mit dem Mittelpunkt der Fläche der Membrane 1 zusammenfällt.
  • Die Abmessungen der Membrane sind vorzugsweise so gewählt, dass sie in ihrer Fläche der Form und Grösse der Schallquelle, beispielsweise dem Mund angepasst ist. Dies bedeutet, dass die Membrane 1 eine langgestreckte Form mit einer Länge aufweist, die im wesentlichen der Breite eines durchschnittlichen Mundes entspricht, wobei auch die Querabmessungen der Membrane entsprechend gewählt sind. Der Beschleunigungsaufnehmer 4 ist in die Membrane 1 derart eingebettet, dass seine Hauptempfindlichkeitsrichtung senkrecht zur Fläche der Membrane steht.

Claims (8)

1. Geräuschkompensiertes Nahbesprechungsmikrophon mit einem Gehäuse (2), mit einer Membrane (1) und mit einem in die Membrane (1) eingebetteten mechanisch-elektrischen Wandlerelement, dadurch gekennzeichnet, dass das Wandlerelement durch einen Beschleunigungsaufnehmer (4) gebildet ist, der zusammen mit der Membrane (1) eine schwingende Einheit bildet, so dass seine Masse den Schwingungen der Membrane (1 folgt, ohne dass der Beschleunigungsaufnehmer (4) selbst Verformungen der Membrane (1) unterworfen ist, wobei die Hauptempfindlichkeitsrichtung des Beschleunigungsaufnehmers (4) senkrecht zur Fläche der Membrane (1) verläuft.
2. Nahbesprechungsmikrophon nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Membrane (1) in ein langgestrecktes U-förmiges Gehäuse (2) eingespannt ist, das die Rückseite der Membrane (1) akustisch abschattet, und dass die Membrane (1) ebenfalls langgestreckt ist und entlang ihrer beiden gegenüberliegenden Schmalseiten eingespannt ist und ein akustisch und mechanisch symmetrisches Gebilde ist, das akustisch frei aufgehängt ist.
3. Nahbesprechungsmikrophon nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Stärke der Membrane (1) in der Nähe der Einspannstellen durch Nuten (3) verringert ist.
4. Nahbesprechungsmikrophon nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Membrane (1) in ihrer Fläche an die Form und Grösse der Schallquelle angepasst ist.
5. Nahbesprechungsmikrophon nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Einspannung (6), die Nutzen (3) sowie die Masse des Membran-Mittelteils (7) einen mechanischen Tiefpass bilden.
6. Nahbesprechungsmikrophon nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Beschleunigungsaufnehmer (4) symmetrisch zur Dicke der Membrane (1) in diese eingebettet ist.
7. Nahbesprechungsmikrophon nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Mittelpunkt des Beschleunigungsaufnehmers (4) im wesentlichen mit dem Mittelpunkt der Fläche der Membrane (1 ) zusammenfällt.
8. Nahbesprechungsmikrophon nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anschlussleitungen (8) des Beschleunigungsaufnehmers (4) symmetrisch zur Dicke der Membrane (1) in diese eingebettet sind.
EP83100305A 1982-01-15 1983-01-14 Geräuschkompensiertes Nahbesprechungsmikrophon Expired EP0084362B1 (de)

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DE3201164A DE3201164C1 (de) 1982-01-15 1982-01-15 Geraeuschkompensiertes Nahbesprechungsmikrophon

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EP0084362A3 EP0084362A3 (en) 1984-07-18
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Also Published As

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EP0084362A3 (en) 1984-07-18
ATE19455T1 (de) 1986-05-15
EP0084362A2 (de) 1983-07-27
DE3363110D1 (en) 1986-05-28

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