EP0413086A1 - Elektroakustischer Wandler - Google Patents

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EP0413086A1
EP0413086A1 EP90107295A EP90107295A EP0413086A1 EP 0413086 A1 EP0413086 A1 EP 0413086A1 EP 90107295 A EP90107295 A EP 90107295A EP 90107295 A EP90107295 A EP 90107295A EP 0413086 A1 EP0413086 A1 EP 0413086A1
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electroacoustic transducer
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membrane
sound
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Bernard Dipl.-Ing. Müller
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Georg Neumann GmbH
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Georg Neumann GmbH
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    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
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    • H04R1/20—Arrangements for obtaining desired frequency or directional characteristics
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    • 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 an electroacoustic transducer according to the preamble of claim 1.
  • Such a transducer is known from the magazine "Funkschau", issue 16, 1985, pages 43-45.
  • the reverberant plates used in known interface microphones are either circular, square or rectangular.
  • the transducer element is usually attached centrally.
  • the edge of the panel usually has a phase of approximately 45 °, while in the case of thin panels, the edge is usually only broken.
  • the plate is irregularly rounded or flattened towards the edge.
  • This phase jump is different depending on the nature of the edges and the impedance of the surfaces of the microphone body and the interface.
  • the creeping wave thus generates a more or less complicated interference pattern.
  • the superimposition of the incident wave with the creeping wave at the installation location of the transducer is decisive. Negative effects on the frequency response and the directional characteristic can only be avoided if creeping waves are either completely avoided or if they have an overall frequency-independent phase position and a frequency-independent level at the installation location of the converter.
  • the creeping wave can only be avoided if the mounting plate were infinitely thin or extended infinitely. A thickness of 1 to 2 mm, which in practice would be sufficient to avoid creeping waves, is not technically feasible, since no electrostatic converter is available for installation in such a thin mounting plate.
  • the object of the invention is to achieve a frequency-independent, hemispherical directional characteristic with a high sound fidelity in an electrostatic converter of the type mentioned at the beginning.
  • the electroacoustic transducer according to the invention is optimized with regard to the geometric shape of its mounting plate and its mounting position in the mounting plate so that creeping waves at the installation location of the transducer have an overall frequency-independent phase position and a frequency-independent level. For every angle of incidence, it is thus ensured that the superposition of the incident wave with the secondary sound field at the transducer location that is caused by diffraction on the microphone plate there is no linear influence on the frequency response.
  • the path lengths from each edge point of the plate to the membrane center are preferably distributed uniformly in a length range, the upper limit of which is determined by the sound wavelength of the upper limit frequency of the electroacoustic transducer and the lower limit of which is determined by half the sound wavelength of the transition frequency at which a sound pressure jam begins to form in front of the microphone area.
  • the plate is designed as an oblique-angled triangle.
  • the embodiment of an electroacoustic transducer according to the invention shown in plan view in FIG. 1 and in section in FIG. 2 has a triangular support plate P with the side edges or triangular legs a, b and c.
  • a transducer capsule W is recessed so that the membrane M of the transducer capsule W is flush with the surface of the plate P facing the incident sound.
  • the exact location of the transducer capsule W in the example shown is on the line of gravity s1 between its base point F and the center of gravity S.
  • the transducer capsule W is connected through the plate with a microphone cable K, which installs at the base of the line of gravity s2 or the shortest leg b and ends in a cable connector St at its other end.
  • the section according to FIG. 2 shows the flush installation of the membrane M and the mounting of the transducer capsule W in a recess in the mounting plate P.
  • the transducer W can preferably be an electrostatic transducer or a pressure-calibrated transducer, i.e. a transducer that outputs a constant voltage in the listening area at constant sound pressure.
  • the frequency response of the electroacoustic transducer W according to FIGS. 1 and 2 were measured at different sound incidence angles of 0 °, 30 °, 60 ° and 90 ° based on the level of the mounting plate P.
  • the results are in the figures 3a to 3d shown using the solid curve # 1.
  • the corresponding frequency responses of known interface microphones with a rectangular carrier plate (dashed curve # 2) and a circular carrier plate (curve # 3) are shown in FIGS. 3a to 3d drawn.
  • the flat frequency response achieved with the transducer according to the invention at all sound incidence angles ideally means a frequency-independent, hemispherical directional characteristic. Direct sound and diffuse sound do not result in different sound colors, such as occur with a transducer in the free sound field due to the diffraction and shadowing effects on the microphone body.
  • the surface-flush installation of the transducer in the plate avoids sound colorations, such as occur in conventional microphones due to delayed reflections at the space boundary surfaces and the associated comb filter effect.

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Abstract

Zur Erzielung einer frequenzunabhängigen, halbkugelförmigen Richtcharakteristik bei hoher Klangtreue wird ein Grenzflächenmikrofon vorgeschlagen, bei dem die geometrische Form seiner Montageplatte (P) und der Einbauort der Membrane (M) innerhalb der Oberfläche der Montageplatte (P) so gewählt sind, daß bei Überlagerung des einfallenden primären Schallfeldes mit dem durch Beugung an den Plattenrändern entstehenden sekundären Schallfeld ein ebener Frequenzgang am Einbauort der Membrane (M) gegeben ist. In bevorzugter Weise ist die Montageplatte dreieckförmig, wobei die Membrane in der Nähe des Schwerpunktes (S) des insbesondere schiefwinkligen Dreiecks angebracht ist.

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 Schall­wellen 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 "Funk­schau", Heft 16, 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 unmittel­bar an der Grenzfläche bis auf den doppelten Wert wird die Nutzspannung des Wandlers um 6 dB gegenüber dem Frei­feld angehoben. Diese Schalldruckverdoppelung tritt jedoch nur für solche Frequenzen ein, für welche die Grenzfläche groß im Vergleich zur Schallwellenlänge ist.
  • Die bei bekannten Grenzflächenmikrofone benutzten, schall­harten Platten sind entweder kreisförmig, quadratisch oder rechteckig. Das Wandlerelement ist in der Regel zen­trisch angebracht. Bei dickeren Platten besitzt die Platten­kante 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 Grenzflächen­mikrofone 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 richtungs­abhängige Klangverfärbungen auftreten. Diese Unzulänglich­keiten erklären sich dadurch, daß bei einem Grenzflächen­mikrofon die eben einfallende Wellenfront ein sekundäres Schallfeld erzeugt. Dieses sekundäre Schallfeld entsteht durch Schallbeugung an der Plattenkanten. Es entsteht eine sogenannte "Kriechwelle"' die sich vom Rand der Platte über deren Fläche ausbreitet. Die Phasenlage der Kriech­welle in Bezug auf die einfallende Welle ist vom Phasen­sprung an der Plattenkante abhängig. Dieser Phasensprung fällt je nach Beschaffenheit der Kanten und der Impedanz der Oberflächen von Mikrofonkörper und Grenzfläche unter­schiedlich 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 Grenzflächen­mikrofons ist somit die Überlagerung der einfallenden Welle mit der Kriechwelle am Einbauort des Wandlers ent­scheidend. 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 frequenzunab­hängigen 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 Kriech­wellen genügen würde, ist jedoch technisch nicht realisier­bar, da zum Einbau in eine derartig dünne Montageplatte kein elektrostatischer Wandler verfügbar ist.
  • Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, bei einem elektro­statischen Wandler der eingangs erwähnten Art eine fre­quenzunabhängige, halbkugelförmige Richtcharakteristik bei einer hohen Klangtreue zu erzielen.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnen­den Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des er­findungsgemäßen, elektroakustischen Wandlers ergeben sich aus den Unteransprüchen.
  • Der erfindungsgemäße, elektroakustische Wandler ist hin­sichtlich 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 frequenz­unabhängigen Pegel besitzen. Für jeden Einfallswinkel ist damit gewährleistet, daß durch die Überlagerung der einfallenden Welle mit dem durch Beugung an der Mikrofon­platte 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 be­stimmt wird durch die halbe Schallwellenlänge der Über­gangsfrequenz, bei welcher sich ein Schalldruckstau vor der Mikrofonfläche auszubilden beginnt. In besonders günsti­ger Weise ist die Platte als schiefwinkliges Dreieck gestal­tet.
  • Die Erfindung wird anhand eines in den Zeichnungen darge­stellten Ausführungsbeispielen 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
    • Fign. 3a bis 3d Frequenzgänge des Wandlers nach Fig. 1 (Kurve #1) eines Grenzflächenmikrofons mit rechteckförmiger Montageplatte (Kurve #2) und eines Grenzflächen­mikrofons 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 Schenkein a, b und c einge­schlossenen Winkel α, β, γ betragen im dargestellten Bei­ spielsfalle α = ca. 45°, β = ca. 75° und γ = ca. 60°.
  • Auf der relativ dünnen, schallherten 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 Ein­bauort der Wandlerkapsel W liegt im dargestellten Bei­spielsfall 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 oberflächen­bündigen 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 elektro­statischer Wandler oder ein druckkalibrierter Wandler vorgesehen werden, d.h., ein Wandler, der im Hörbereich bei konstantem Schalldruck eine konstante Spannung ab­gibt.
  • Der Frequenzgang des elektroakustischen Wandlers W gemäß Fign. 1 und 2 wurde unter verschiedenen Schall­einfallswinkel von 0°, 30°, 60° und 90° bezogen auf die Ebene der Montageplatte P gemessen. Die Ergebnisse sind in den Fign. 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 Fign. 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 Fign. 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 Frequenzgangver­zerrungen 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) Montage­platte erläuterte Erfindungsgedanke allgemein dahin um­schrieben 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 ein­fallenden 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 er­reichen, 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 Schallwellen­länge derjenigen Frequenz (Übergangsfrequenz) bestimmt, ab der sich ein Schallstaudruck vor der Platte P aus­bildet.
  • Der mit dem erfindungsgemäßen Wandler erzielte ebene Frequenzgang bei allen Schalleinfallswinkeln bedeutet in idealer Weise eine frequenzunabhängige, halbkugel­förmige Richtcharakteristik. Direkt - und Diffusschall haben keine unterschiedliche Klangfärbungen zur Folge, wie sie beispielsweise bei einem Wandler im freien Schall­feld aufgrund der Beugungs- und Abschattungseffekte am Mikrofonkörper auftreten. Zudem werden durch den ober­flächenbündigen Einbau des Wandlers in die Platte Klang­färbungen vermieden, wie sie bei üblichen Mikrofonen durch verzögerte Reflexionen an Raumbegrenzungsflächen und den damit verbundenen Kammfiltereffekt auftreten.

Claims (9)

1. Elektroakustischer Wandler, der mit seiner Membrane oberflächenbündig in eine schallharte Platte endlicher Fläche und Dicke eingebaut ist, dadurch ge­kennzeichnet, 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, da­durch gekennzeichnet, daß die Weglängen von jedem Randpunkt der Platte (P) zur Membranmitte gleich­mäßig 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, da­durch gekennzeichnet, daß die Platte (P) als schiefwinkliges Dreieck ausgeführt ist.
5. Elektroakustischer Wandler nach Anspruch 4, da­durch gekennzeichnet, daß die Schenkel (a, b, c) der dreieckförmigen Platte (P) Winkel (α, β, γ von etwa 75°, etwa 45° 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, da­durch 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 (s1) 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.
EP90107295A 1989-08-16 1990-04-18 Elektroakustischer Wandler Expired - Lifetime EP0413086B1 (de)

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