EP1233647B1 - Electroacoustic capsule - Google Patents

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EP1233647B1
EP1233647B1 EP20010890335 EP01890335A EP1233647B1 EP 1233647 B1 EP1233647 B1 EP 1233647B1 EP 20010890335 EP20010890335 EP 20010890335 EP 01890335 A EP01890335 A EP 01890335A EP 1233647 B1 EP1233647 B1 EP 1233647B1
Authority
EP
Grant status
Grant
Patent type
Prior art keywords
electrostrictive
appliance
electroacoustic
magnetostrictive
characterised
Prior art date
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EP20010890335
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German (de)
French (fr)
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EP1233647A2 (en )
EP1233647A3 (en )
Inventor
Kurt Dipl.-Ing. Nell
Gino Dipl.-Ing. Pavlovic
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
AKG Acoustics GmbH
Original Assignee
AKG Acoustics GmbH
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    • HELECTRICITY
    • H04ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04RLOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R19/00Electrostatic transducers
    • H04R19/01Electrostatic transducers characterised by the use of electrets
    • H04R19/016Electrostatic transducers characterised by the use of electrets for microphones

Description

  • [0001]
    Die Erfindung betrifft ein elektroakustisches Gerät mit einer Mikrophonkapsel, die eine Elektrode und eine Membran aufweist, und einem Mikrophonverstärker, wobei die Elektrode und die Membran über eine elektrische Kontaktierung mit dem Mikrophonverstärker verbunden sind. The invention relates to an electro-acoustic apparatus having a microphone capsule which has an electrode and a membrane, and a microphone amplifier, wherein the electrode and the diaphragm are connected via an electrical contact with the microphone amplifier.
  • [0002]
    Der Wandler kann dabei entweder nach dem elektromagnetischen, elektrodynamischen, elektrostatischen oder piezoelektrischen Prinzip arbeiten. The transducer may work either according to the electromagnetic, electrodynamic, electrostatic or piezoelectric principle.
  • [0003]
    Derartige Geräte bestehen im wesentlichen aus dem eigentlichen elektroakustischen Wandler, der in eine sogenannte Kapsel eingesetzt wird, die wiederum in ein Gerätegehäuse eingesetzt wird, in dem sich auch alle notwendigen elektronischen Komponenten befinden. Such devices essentially consist of the actual electro-acoustic transducer which is used in a so-called capsule, which in turn is inserted into an appliance housing, in which all the necessary electronic components are located.
  • [0004]
    Die nicht gattungsgemäße The non-generic JP 57-111200 A JP 57-111200 A offenbart einen digitalen Lautsprecher, bei dem eine gleiche Anzahl an Piezoventilen wie die Zahl der übertragenen Bits verwendet wird, um das akustische Signal zu erzeugen. discloses a digital loudspeaker in which an equal number of piezo valves as the number of transmitted bits used to generate the acoustic signal. Die Piezoventile sind an die jeweilige Bitsteuerung angeschlossen und modulieren den Luftstrom mit dem digitalen Signal. The piezo valves are connected to the respective bit control and modulate the flow of air to the digital signal. Die Steuerung der Ventile erfolgt so, dass sie entweder ganz offen oder ganz geschlossen werden. The control of the valves is such that they are either fully open or fully closed. Eine Zwischenstellung ist nicht vorgesehen. An intermediate position is not provided. Die angesteuerten Piezoventile dienen unmittelbar der Erzeugung des akustischen Signals. The piezo-driven valves are used directly to the generation of the acoustic signal. Die Piezoventile werden ausschließlich vom eingehenden Audiodatenstrom "gespeist", also vom zu wandelnden Signal selbst. The piezo valves are exclusively "fed" from the incoming audio data stream, ie from about changing signal itself.
  • [0005]
    Die The DE 4 342 169 A1 DE 4342169 A1 offenbart einen elektromechanischen Wandler mit einer starren Elektrode und einer elastisch nachgiebigen Membran. discloses an electromechanical transducer with a fixed electrode and a resilient membrane. Die Elektrode weist eine elektrisch leitende Spitze auf, die gegen eine Leiterfläche der gegenüberliegenden Membran weist. The electrode comprises an electrically conductive tip, which has against a conductor surface opposite the membrane. Mit einer Stellspannung wird die elektrostatische Anziehungskraft zwischen Elektrode und Membran derart eingestellt, dass im Bereich der Leiterspitze ein Tunnelstrom zwischen den Leiterflächen der Elektrode und der Membran fließt. With a set voltage, the electrostatic force of attraction between electrode and membrane is adjusted such that in the area of ​​the conductor tip a tunnel current between the conductive surfaces of the electrode and the membrane flows. Dieser Tunnelstrom wird mittels eines elektronischen Verstärkers verstärkt und als Ausgangssignal verwertet. This tunnel current is amplified by an electronic amplifier and utilized as an output signal.
  • [0006]
    Elektroakustische Geräte beinhalten wenigstens eine sogenannte elektroakustische Kapsel, welche wiederum entweder als Schallgeber oder Schallnehmer ausgeführt werden kann. Electroacoustic devices include at least a so-called electro-acoustic capsule which can be carried out again, either as a sound transmitter or sound taker. Im Sinne der sprachlichen Vereinfachung wird in der vorliegenden Beschreibung und den Ansprüchen bei elektroakustischen Geräten, die mindestens eine als Schallnehmer ausgeführte Kapsel beinhalten, von einem Mikrofon gesprochen. For the purposes of linguistic simplification is spoken by a microphone in the present specification and claims in electro-acoustic devices, which contain at least one capsule is designed as a sound takers. Stellvertretend für elektroakustische Geräte mit mindestens einer elektroakustischen Kapsel, die als Schallgeber ausgeführt ist, wird hier von einem Kopfhörer gesprochen. Representing electro-acoustic devices with at least one electro-acoustic capsule, which is designed as a sound transmitter, is spoken of a headset.
  • [0007]
    Bei beiden Gerätegruppen ist aber eine Gemeinsamkeit gegeben: Die akustischen Eigenschaften der Geräte werden vom Gerätehersteller im Zuge des Produktionsprozesses festgelegt und sind daher für den Endverbraucher unveränderlich. In both device groups but one commonality is given: the acoustic properties of the devices are determined by the device manufacturer in the course of the production process and are therefore unchangeable for the end user. Vereinfacht gesagt, kann man von einem unveränderbaren "Klangcharakter" des Geräts sprechen. Simply put, one can speak of an unchangeable "sound character" of the device.
  • [0008]
    So hängen beispielsweise die akustischen Eigenschaften eines Mikrofons mit einer elektrostatischen Kapsel im wesentlichen vom Abstand zwischen der Membrane und der Elektrode und von der Ausgestaltung der akustischen Abstimmungselemente der Kapsel ab. For example, hanging the acoustic characteristics of the microphone from an electrostatic capsule substantially the distance between the diaphragm and the electrode and on the configuration of the acoustic tuning elements the capsule. Wenn die geometrischen Parameter zwischen der beweglichen, dem Schallfeld ausgesetzten Elektrode, der Membrane und der unbeweglichen Elektrode festgelegt sind, und wenn auch die akustischen Abstimmungselemente im Inneren der Kapsel (enge Kanäle, geschlossene Volumina und nur teilweise luftdurchlässige Bereiche) berechnet und mechanisch verwirklicht sind, dann ist die Richtcharakteristik, die Empfindlichkeit und der Frequenzgang ebenfalls festgelegt und unveränderlich. If the geometric parameters between the movable, the sound field exposed electrode, the diaphragm and the fixed electrode are fixed, and when the acoustic tuning elements in the interior of the capsule (narrow channels, closed volumes and only partially air permeable regions) are calculated and mechanically realized, then the directional characteristic, the sensitivity and the frequency response is also fixed and invariable.
  • [0009]
    Es wird daher die Kapsel immer in Hinblick auf den ins Auge gefaßten Einsatz ausgelegt und es ist im allgemeinen nicht möglich, eine bestehende Kapsel ohne großen Qualitätsverlust in einem anderen Gehäuse oder Gerät einzusetzen. It is therefore always designed the capsule with respect to the contemplated use and it is generally not possible to use an existing capsule without much loss of quality in another housing or device. Das trifft sowohl bei schallnehmenden als auch schallgebenden Kapseln zu. This is true both in sound acquiring and sound imaging capsules.
  • [0010]
    Diese Eigenschaft macht eine Reihe von Kapselentwicklungen notwendig, von der Lagerhaltung und der Schaffung unterschiedlicher Werkzeuge für die Fertigung gar nicht zu sprechen, was insbesondere bei dem heute üblichen raschen Modellwechsel sehr schnell teuer werden kann. This property makes a series of capsule developments necessary, not to speak of the inventory and the creation of different tools for manufacturing, which can be really expensive especially in today's customary rapid model changes.
  • [0011]
    Die akustische Abstimmung von elektroakustischen Kapseln, unabhängig davon, ob sie als Schallgeber oder Schallnehmer hergestellt werden sollen, muß nun nicht nach dem Zufallsprinzip durch Testreihen bestimmt werden, sondern kann in weiten Bereichen berechnet werden. The acoustic tuning of electroacoustic capsules, regardless of whether they are to be produced as a sound generator or sound taker must now not be determined randomly by test series, but can be calculated within wide ranges. Diese Berechnung basiert auf der Übereinstimmung der mathematischen Modelle für die Akustik und die Elektrizität und erfolgt nach dem elektroakustischen Analogieprinzip. This calculation is based on the agreement of the mathematical models for acoustics and electricity and is based on the electroacoustic analogy principle. Sie wird mit Hilfe sogenannter Äquivalenzschaltungen durchgeführt. It is carried out using so-called equivalent circuits. Dabei entsprechen enge und lange Kanäle im akustischen Bereich einer Spule im elektrischen Bereich, geschlossene Volumina im akustischen Bereich einem Kondensator im elektrischen Bereich und mit porösem und nur teilweise luftdurchlässigem Material abgedeckte Bohrungen im akustischen Bereich einem Ohm'schen Widerstand im elektrischen Bereich. In this case, correspond to narrow and long passages in the acoustic range of a coil in the electrical domain closed volumes in the acoustic range of a capacitor in the electrical domain and with a porous air-permeable material and only partly covered holes in the acoustic range an ohmic resistance in the electrical domain. So kann die akustische Seite in einen Schaltplan transferiert werden, dieser wird mit den allgemeinen Regeln der Elektrotechnik im gewünschten Sinne dimensioniert und abgestimmt und das Ergebnis wird in die Akustik zurücktransferiert. Thus, the acoustic side can be transferred in a circuit diagram, it will be dimensioned for the general rules of electrical engineering and in the desired sense tuned and the result is transferred back in the acoustics.
  • [0012]
    Durch Kombination aller drei elektroakustischen Elemente ist es so möglich, die gewünschte Abstimmung des jeweiligen elektroakustischen Wandlers vorzunehmen. By combining all three electroacoustic elements, it is possible to make the desired adjustment of the respective electroacoustic transducer. Es hat sich gezeigt, daß für eine zweckmäßige klangfarbliche Abstimmung von elektroakustischen Wandlern insbesondere enge Kanäle eine wesentliche Rolle spielen. It has been shown that play an essential role for an expedient tone color tuning of electroacoustic transducers particular narrow channels. Das ist darauf zurückzuführen, daß ein enger Kanal nicht nur einen induktiven Impedanzanteil aufweist, sondern auch einen nicht unerheblich großen Anteil am Ohm'schen Widerstand hat. This is due to the fact that a narrow channel not only has an inductive impedance component, but also has a not insignificant large share of the ohmic resistance. Die Entstehung vom letzterem ist auf die Strömungsverluste in engen Kanälen zurückzuführen. The emergence of the latter is due to the flow losses in narrow channels.
  • [0013]
    Auf dieser Erkenntnis beruht die Herstellung einer sogenannten Reibungspille, die sowohl einen Ohm'schen als auch einen induktiven Anteil in ihrer Impedanz aufweist und in der On this finding, the preparation of a so-called friction pill having both an ohmic as well as an inductive component in its impedance, and in which is based AT 400 910 B AT 400 910 B beschrieben wird. will be described. Diese Druckschrift schlägt vor, zwei aus hartem Material angefertigte und mit kleinen Öffnungen am Rand versehene Plättchen mittels einer Schraube in der Mitte der Plättchen zu verbinden. This reference proposes to connect two-made of hard material and provided with small openings at the edge plate by means of a screw in the center of the platelets. Durch gezieltes Verdrehen der Plättchen gegeneinander ist es möglich, die Impedanz dieses Gebildes in axialer Richtung zu beeinflussen. By selectively rotating the plates against each other, it is possible to influence the impedance of this structure in the axial direction.
  • [0014]
    Eine andere bekannte Möglichkeit, die Impedanz zu verändern ist, die Plättchen nicht gegeneinander zu verdrehen, sondern den Abstand zwischen den Plättchen mit Hilfe der Zentralschraube zu verändern. changing Another known possibility, the impedance is changing, not to twist the plates against each other, but the distance between the plates by means of the central screw. Die Impedanzveränderung der dadurch entstandenen sogenannten Reibungspille wirkt sich hauptsächlich auf den Klang des Mikrofons oder des Kopfhörers aus. The impedance variation of the so-called friction thereby resulting pill affects mainly to the sound of the microphone or the headphone. Das heißt, daß gleichzeitig nicht nur Frequenzverlauf, sondern auch die Richtcharakteristik des Mikrofons oder des Kopfhörers verändert wird. That is, at the same time not only frequency response, but also the directivity of the microphone or headphone volume is changed. In jedem Fall, und unabhängig davon, ob die Abstimmungselemente der Kapsel während der Produktion veränderbar sind oder nicht, wird derzeit die akustische Abstimmung nur einmal, vor dem Zusammenbau der Kapsel, vorgenommen und bleibt während der ganzen Lebensdauer des akustischen Gerätes unverändert. In any case, and regardless of whether the tuning elements of the capsule can be changed during production or not, the acoustic tuning is currently only once, made before assembling the capsule and remains unchanged throughout the life of the acoustic device. Das ist der Umstand welcher von den Benutzern der Mikrofone bzw. Kopfhörer nur ungern akzeptiert wird. This is the circumstance which accepted by the users of the microphones or headphones reluctant.
  • [0015]
    Nicht nur der Klangcharakter des elektroakustischen Gerätes ist für seine zweckmäßige Anwendung ausschlaggebend. Not only the sound character of the electroacoustic device is decisive for its appropriate application. Auch seine Eigenschaften im Bezug auf die Übertragungsqualität sind wichtig. Its properties in terms of transmission quality are important. Sie sind hauptsächlich durch die Empfindlichkeit des elektroakustischen Wandlers bestimmt. They are mainly determined by the sensitivity of the electroacoustic transducer.
  • [0016]
    Weitere Zusammenhänge sind die folgenden: Neben schon beschriebenem Einfluß einer akustischen Impedanzpille (Reibungspille) beeinflußt der Abstand zwischen Elektrode und Membrane die Kapselkapazität und dadurch die Empfindlichkeit der Kapsel. Other relationships are the following: In addition to already-described influence of an acoustic impedance pill (friction pill) influences the distance between the electrode and the capsule membrane capacitance and thereby the sensitivity of the capsule. Die oben beschriebene Kapsel wird, durch ihren Einbau in ein Mikrofongehäuse, elektrisch am Eingang eines sich im Mikrofongehäuse befindlichen Verstärkers angeschlossen. The capsule described above is connected by its incorporation into a microphone housing, electrically at the input of an amplifier is located in the microphone housing. Dadurch werden elektroakustische Übertragungseigenschaften des Mikrofons wesentlich von beiden Komponenten bestimmt. This electro-acoustic transfer properties of the microphone are essentially determined by two components. Das heißt, daß sowohl niedrigste, als auch höchste Schalldrücke, welche man ohne wesentliche Verschlechterung der Übertragungsqualität übertragen kann, von den Übertragungseigenschaften der Mikrofonkapsel und des Mikrofonverstärkers abhängig sind. That is, both lowest and highest sound pressures, which can be transferred without substantial degradation of the transmission quality, are dependent on the transfer characteristics of the microphone capsule and the microphone amplifier.
  • [0017]
    Die niedrigsten Schallintensitäten, die noch übertragen werden können, sind mit dem sogenanntem Eigenrauschen des Mikrofons nach unten begrenzt. The lowest sound intensities, which can still be transmitted are limited to the so-called self-noise of the microphone down. Es handelt sich dabei um thermisches Rauschen, welches bei allen elektronischen Geräten vorkommt. These are to thermal noise, which is present in all electronic devices. Die stärksten noch zu übertragenden Schallintensitäten sind auf die begrenzte Spannungsversorgung des Mikrofonverstärkers zurückzuführen, da die Ausgangsspannung eines Verstärkers unmöglich höher werden kann als seine Versorgungsspannung. The strongest still to be transmitted sound intensities are due to the limited power source of the microphone amplifier, since the output voltage of an amplifier can not possibly be higher than its supply voltage.
  • [0018]
    Entwicklungsingenieure auf dem Gebiete der Elektroakustik sind stets bestrebt, elektroakustische Geräte so zu bauen, daß sie sowohl sehr leise als auch sehr laute Schallereignisse ohne wesentliche Qualitätsverluste übertragen. Development engineers in the field of electro-acoustics are always striving to build electro-acoustic equipment so as to transmit both very low and very loud sound events without significant loss of quality. Um eine Mikrofonkapsel für noch kleinere Schalldrücke zu bauen, muß man sie so bauen, daß sie möglichst empfindlich gegenüber Schalldruckschwankungen ist. To build a microphone capsule for even smaller sound pressures, we must build it so that it is possible sensitive to sound pressure fluctuations. Das heißt ihr Übertragungsfaktor soll möglichst groß sein. That means you gain should be as large as possible. Das erreicht man bei elektrostatischen Schallnehmern dadurch, daß der Abstand zwischen den Elektroden möglichst niedrig gehalten wird. This is achieved at electrostatic sound holders characterized in that the distance between the electrodes is kept as low as possible. Andererseits aber wird dadurch bei sehr hohen Schalldrücken die elektrische Spannung am Eingang des Verstärkers so hoch, daß die Ausgangsspannung des Verstärkers, sogar bei niedrigerem Schalldruck als bisher, die Höhe der Versorgungsspannung des Verstärkers als natürliche Verstärkungsgrenze erreicht. On the other hand, characterized the electrical voltage at the input of the amplifier is so high at very high sound pressure levels that the output voltage of the amplifier, even achieved at lower sound pressure than before the level of the supply voltage of the amplifier as a natural gain limit. Das heißt, daß man im Bezug auf den minimalen und maximalen noch zu übertragenden Schalldruck, die sogenannte Dynamik, einen Kompromiß hinnehmen muß. That is, one with respect to the minimum and maximum still to be transmitted sound pressure, the so-called dynamic, must accept a compromise.
  • [0019]
    Wenn man aber weiß, daß in einer Aufnahmesituation nur mit leisen Schallereignissen zu rechnen ist, zum Beispiel die Pianopassage eines Konzerts, oder nur mit sehr lauten Schallereignissen, zum Beispiel Schlagzeugaufnahme, dann kann man durch geschickte Aufstellung des Mikrofons die beschriebenen Nachteile teilweise beheben. but if you know that is in a shooting situation can be expected only with quiet sound events, such as the piano passage of a concert, or only with very loud sound events, such as drum recording, then you can fix by clever positioning the microphone, the disadvantages described in part. Das heißt bei leisen Schallquellen das Mikrofon näher zur Schallquelle aufzustellen und umgekehrt bei lauten Instrumenten das Mikrofon weiter von der Schallquelle zu entfernen. That is, in quiet sound sources set up the microphone closer to the sound source and to further remove the other way around with loud instruments the microphone from the sound source. Es ist aber einleuchtend, daß das nur schwer und in äußerst seltenen Fällen möglich ist. but it is clear that this is possible only with difficulty and in very rare cases.
  • [0020]
    Einige Mikrofonhersteller helfen sich aus diesen Dilemma durch Einbau eines sogenannten Abschwächers: Zwischen der Kapsel und dem Verstärker wird ein Spannungsteiler nach Bedarf händisch eingeschaltet, so daß bei lauten Schallereignissen der Verstärker kein zu großes Kapselsignal erhält. Some microphone manufacturer help from this dilemma by incorporating a so-called attenuator: Between the capsule and the amplifier, a voltage divider is turned on manually as required, such that when loud sound events of the amplifier is not too much capsule signal is obtained. Die Abschwächung des Mikrofonkapselsignals erfolgt bei elektrostatischen Mikrofonwandlern im hochohmigen Bereich, wodurch sich eine Reihe schaltungstechnischer Schwierigkeiten ergeben. The attenuation of the microphone capsule signal is carried out at the electrostatic microphone transducers in the high resistance area, thereby resulting in a series of technical difficulties. Vor allem müssen für hochohmige Schaltungen geeignete Schalter eingesetzt werden. Especially suitable switches must be used for high-impedance circuits. Das bedeutet, daß zur Anwendung nur spezielle und daher teure Schalter in Frage kommen. This means that only special and therefore expensive switches are suitable for use. Da es sich bei genanntem Beispiel um eine auf elektrostatischem Prinzip arbeitende Mikrofonkapsel handelt, welche als ein Kondensator in elektrischer Schaltung des Mikrofons dargestellt wird, muß man mit sogenannten kapazitiven Spannungsteilern arbeiten. As it is mentioned Example in order one at the electrostatic principle microphone capsule, which is represented as a capacitor in electrical circuit of the microphone, it is necessary to work with so-called capacitive voltage dividers. Sie werden mit Hilfe von elektrischen Kondensatoren realisiert und ermöglichen die gewünschte Signalabschwächung in einem breiten Bereich. They are implemented by means of electrical capacitors and allow the desired signal attenuation in a wide range. Es ist aber leider so, daß der Klirrfaktor (Verzerrungen des Ausgangssignals) dann hörbar ansteigt, wenn ein kapazitiver Abschwächer bei derartigen Kapseln verwendet wird. However, it is unfortunately the case that the total harmonic distortion (distortion of the output signal) then rises audible when a capacitive attenuator is used in such capsules. Deshalb werden solche Mikrofone für hochwertige Anwendungen gemieden. Therefore, such microphones are avoided for high-quality applications.
  • [0021]
    Es besteht somit ein großer Bedarf an Wandlern bzw. Kapseln, deren elektroakustische Eigenschaften nach ihrer Herstellung noch gezielt und einfach, bevorzugt anläßlich des Einbaues der Kapsel in ein Gehäuse, geändert werden können. There is thus a great need for converters or capsules, the electro-acoustic properties, preferably in a housing, can be changed after its preparation more specifically and easily on the occasion of the incorporation of the capsule. Selbstverständlich sind die Benutzer von elektroakustischen Geräten daran interessiert, die akustischen Eigenschaften an die jeweilige Anwendung anpassen zu können. Of course, the users of electro-acoustic devices are keen to adapt the acoustic properties of the application.
  • [0022]
    Erfindungsgemäß werden diese Ziele mit einem elektroakustischen Gerät der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass das Gerät eine regelbare Spannungsquelle umfasst und die Mikrophonkapsel elektrostriktive oder magnetostriktive Elemente, bevorzugt piezoelektrische Bauteile, aufweist, die über eine zweite Kontaktierung mit der regelbaren Spannungsquelle zum Anlegen einer elektrischen Spannung an die elektrostriktiven oder magnetostriktiven Elemente in Verbindung stehen und dass die Abmessungsänderungen der elektrostriktiven bzw. magnetostriktiven Elemente Änderungen in der inneren Geometrie der Mikrophonkapsel nach sich ziehen. According to the invention, these objects are achieved with an electro-acoustic device of the type mentioned above in that the device comprises a controllable voltage source and the microphone capsule electrostrictive or magnetostrictive elements, preferably piezoelectric components, which are connected via a second contact with the controllable voltage source for applying an electric voltage are to the electrostrictive or magnetostrictive elements in combination, and that the dimensional changes of the electrostrictive or magnetostrictive elements changes in the internal geometry of the microphone capsule entail.
  • [0023]
    Unter "Änderung in der inneren Geometrie" wird in der Beschreibung und den Ansprüchen sowohl die Änderung des Abstandes zwischen Elektrode und Membran eines elektrostatischen Wandlers als auch die Änderung des Abstandes von Bauteilen der Kapsel zueinander, wie beispielsweise bei einer der oben erwähnten Reibungspillen, oder auch des Öffnens bzw. Schließens oder Änderns der Größe einer Öffnung od.dergl. By "change in the internal geometry" is used in the description and claims, both the change in the distance between the electrode and membrane of an electrostatic transducer as well as the change in the distance of parts of the capsule to each other, such as in one of the above-mentioned friction pills, or opening or closing or changing the size of an opening od.dergl. verstanden Roger that
  • [0024]
    Unter "elektrostriktiven oder magnetostriktiven Elementen" werden in der Beschreibung und den Ansprüchen alle Bauteile verstanden, die beim Anlegen einer elektrischen Spannung eine charakteristische Körperabmessung in einem von der angelegten Spannung abhängigen Maß reversibel ändern. By "electrostrictive or magnetostrictive elements" all the components to be understood in the description and the claims which reversibly change when applying an electric voltage, a characteristic dimension of the body in a manner dependent on the applied voltage level. Beispiele sind neben den genannten piezoelektrischen Bauteilen, die durch Anlegen einer Spannung ihre geometrischen Abmessungen reversibel verändern, auch magnetostriktive Elemente, die ihre geometrischen Abmessungen durch Wirkung eines Magnetfeldes reversibel verändern. Examples are addition to the aforementioned piezoelectric devices which change by applying a voltage their geometrical dimensions reversibly, even magnetostrictive elements which reversibly change their geometrical dimensions by the action of a magnetic field.
  • [0025]
    Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. The invention is explained below with reference to the drawings. Dabei zeigt Here shows
    • die the Fig. 1 Fig. 1 einen elektrostatischen Wandler gemäß dem Stand der Technik, an electrostatic transducer according to the prior art,
    • die the Fig. 2 Fig. 2 eine Gegenüberstellung der elektroakustischen Analogie, a comparison of the electro-acoustical analogy,
    • die the Fig. 3 Fig. 3 eine vorbekannte Reibungspille in schematischer Seitenansicht, a prior art friction pill in a schematic side view,
    • die the Fig. 4 Fig. 4 eine erfindungsgemäße elektroakustischen Reibungspille, an electroacoustic friction pill according to the invention,
    • die the Fig. 5 Fig. 5 einen erfindungsgemäß ausgebildeten Wandler und a transducer formed according to the invention and
    • die the Fig. 6, 7 und 8 Fig. 6, 7 and 8 Details. Details.
  • [0026]
    Die The Fig. 1 Fig. 1 zeigt als Beispiel eine auf dem elektrostatischen Prinzip arbeitende schallauf nehmende Kapsel zum Einbau in ein Mikrofon. shows an example of a working on the electrostatic principle sound-receiving capsule for incorporation into a microphone. Es hängen die akustischen Eigenschaften des Mikrofons im wesentlichen vom Abstand zwischen der Membrane 1 und der Elektrode 2 und von der Ausgestaltung der akustischen Abstimmungselemente 3 (Größe des hinteren Volumens, Reibung in der hinteren Schalleintrittsöffnung, Größe und Anzahl der Öffnungen in der Elektrode 2) der Kapsel ab. It hang the acoustic properties of the microphone is substantially the distance between the membrane 1 and the electrode 2 and on the configuration of the acoustic tuning elements 3 (the size of the back volume, friction in the rear sound inlet opening, size and number of openings in the electrode 2) of the capsule from. Wenn die geometrischen Parameter zwischen der beweglichen und dem Schallfeld ausgesetzten Elektrode, der Membrane und der unbeweglichen Elektrode 2 festgelegt sind, und wenn auch die akustischen Abstimmungsparameter 3 im Inneren der Kapsel (enge Kanäle, geschlossene Volumina und nur teilweise luftdurchlässige Bereiche) berechnet und mechanisch ausgeführt sind, dann ist die Richtcharakteristik, die Empfindlichkeit, der Frequenzgang ebenfalls festgelegt und unveränderlich. If the geometric parameters between the movable and exposed to the sound field electrode, the diaphragm and the stationary electrode 2 are fixed, and when the acoustic tuning parameter 3 inside the capsule (narrow channels, closed volumes and only partially air permeable regions) is calculated and mechanically performed , then the directional characteristic, the sensitivity, the frequency response is also fixed and invariable. Durch das (nicht dargestellte) Mikrofongehäuse werden die "Randbedingungen" für die gezeigte Kapsel festgelegt, bei deren Änderung sind die entsprechenden Abstimmungsparameter 3 im Inneren der Kapsel nicht mehr in der Lage, das gewünschte Übertragungsverhalten zu gewährleisten. Through the (not shown) microphone housing the "boundary conditions" for the capsule shown be set that, when changed, the respective tuning parameter 3 inside the capsule is no longer able to ensure the desired transfer characteristic.
  • [0027]
    Die The Fig. 2 Fig. 2 zeigt die einander entsprechenden Elemente des Elektroakustischen Analogons, auf der linken Seite die akustischen Elemente, auf der rechten die entsprechenden elektrischen: Enge und lange Kanäle 31 im akustischen Bereich entsprechen einer Spule 32 im elektrischen Bereich, geschlossene Volumina 33 im akustischen Bereich entsprechen einem Kondensator 34 im elektrischen Bereich und mit porösem und nur teilweise luftdurchlässigem Material abgedeckte Bohrungen 35 im akustischen Bereich entsprechen einem Ohm'schen Widerstand 36 im elektrischen Bereich. shows the corresponding elements of the electroacoustic analog, on the left side of the acoustic elements on the right the corresponding electrical: narrow and long passages 31 in the acoustic range corresponding to a coil 32 in the electrical domain, closed volumes 33 correspond in the acoustic range of a capacitor 34 in the electrical domain and with a porous air-permeable material and only partly covered holes 35 in the acoustic range corresponding to an ohmic resistance 36 in the electrical domain.
  • [0028]
    Die The Fig. 3 Fig. 3 zeigt eine Reibungspille gemäß der oben zitierten AT-B: Zwei aus hartem Material angefertigte und am Rand mit kleinen Öffnungen 39, 40 versehene Plättchen 36, 37 sind mittels einer Schraube 38 in ihrer Mitte verbunden. shows a frictional pill according to the above-cited AT-B: Two of hard material made and connected at the edge with small openings 39, 40 provided plates 36, 37 are by means of a screw 38 at its center. Durch gezieltes Verdrehen der Plättchen 36, 37 gegeneinander ist es möglich, die akustische Impedanz dieses Gebildes in axialer Richtung zu beeinflussen, da ja durch das Verdrehen die Länge der Wege geändert wird. By selectively rotating the plates 36, 37 against each other, it is possible to influence the acoustic impedance of this structure in the axial direction, since the rotation is changed by the length of the paths.
  • [0029]
    Die The Fig. 4 Fig. 4 zeigt eine erfindungsgemäße Ausführung einer elektroakustischen Reibungspille. shows an embodiment of the present invention an electroacoustic friction pill. Sie besteht aus zwei am Rand mit kleinen Öffnungen 8 versehenen Plättchen 6, 7 aus piezoelektrischem Material. It consists of two provided at the edge with small openings 8 plates 6, 7 made of piezoelectric material. Die elektrische Kontaktierung der Plättchen 6 und 7 erfolgt über eine beliebige der vorbekannten Arten der Kontaktierung 4. Die Plättchen sind auf der oberen und unteren Seite metallisiert und elektrisch in Serie geschaltet. The electrical contact of the laminae 6 and 7 via any of the known types of contact 4. The plates are metallized on the upper and lower sides and electrically connected in series. Durch Anschließen an eine Gleichstromspannungsquelle dehnen sie sich so aus, daß die Höhe des Abstands 5 zwischen den Plättchen 6, 7 verringert wird. By connecting to a DC voltage source they expand so that the height of the distance 5 between the plates 6 is reduced. 7
  • [0030]
    Die Veränderung der an die Plättchen angeschlossenen Spannung bewirkt durch die Veränderung des Abstands 5 zwischen den Plättchen 6, 7 eine Veränderung der akustischen Impedanz in axialer Richtung. The change in the voltage connected to the plate caused by the variation of the distance 5 between the plates 6, 7, a change of acoustic impedance in the axial direction. Aufgrund dessen ist es möglich; Because of this, it is possible; den Klang des Mikrofons oder des Kopfhörers, in den diese Reibungspille eingebaut ist, von außen zu beeinflussen, ohne dabei die Mikrofon- oder Kopfhörerkapsel oder das Mikrofon beziehungsweise Kopfhörer zerlegen oder auch nur ausbauen zu müssen. the sound of the microphone or headphones, in this friction pill is installed to influence from the outside without disassembling the microphone or earpiece or microphone or headphones or even just need to expand.
  • [0031]
    Es ist auch möglich, eines der beiden Plättchen 6 bzw. 7 durch ein aus konventionellem Material, zum Beispiel aus Kunststoff oder Metall, hergestelltes Plättchen zu ersetzen. It is also possible to replace one of the two plates made of conventional material, for example plastic or metal, made by a plate 6 and 7 respectively. Dadurch trägt nur ein Plättchen zur Verringerung des Plättchenabstands bei. Characterized contributes only a small plate to reduce the plate spacing. Die Plättchen müssen nicht kreisförmig ausgeführt werden, auch alle anderen geometrischen Ausführungen von rechteckig bis oval sind denkbar. The tiles must not be executed circular, all other geometric designs of rectangular to oval are conceivable. Sie müssen aber mindestens je eine Öffnung 8 am Rand oder im Inneren für den Luft- bzw. Schalldurchgang aufweisen. but they must each have at least at the edge of or inside the air or supersonic passageway has an opening. 8 Der Anfangsabstand der Plättchen 6, 7 wird im gezeigten Ausführungsbeispiel durch eine kleine Stufe 9 am Rand des Plättchens 7 bestimmt. The initial distance of the laminae 6, 7 is determined in the illustrated embodiment by a small step 9 at the edge of the wafer. 7 Statt der Stufe 9 kann auch ein Distanzring verwendet werden. Instead of Stage 9, a spacer can be used. Durch Verpolung der Polarisationsspannung ist es möglich, den Abstand zwischen den Plättchen sowohl zu verringern (im radialen Abstand von der Stufe 9), als auch zu vergrößern. Reversing the polarity of the polarization voltage, it is possible to reduce the distance between the plates of both (at a radial distance from the step 9), as well as to enlarge.
  • [0032]
    Die The Fig. 5 Fig. 5 zeigt die erfindungsgemäße Anwendung einer aus piezoelektrischem Material hergestellten Elektrode, die bei elektrostatischen Mikrofonkapseln verwendet werden kann. shows the application of the present invention an electrode made of piezoelectric material, which can be used in electrostatic microphone capsules. Der Unterschied zur The difference to Fig. 1 Fig. 1 , die eine konventionelle elektrostatische Mikrofonkapsel zeigt, liegt bei der Elektrode 12. Sie hat jetzt eine zweite Rolle bekommen und ist nicht nur über die elektrische Kontaktierung als eine der beiden Kondensatorelektroden des elektroakustischen Wandlers an den Mikrofonverstärker angeschlossen, sondern ist über eine zweite Kontaktierung 14 auch an einen zweiten elektrischen Kreis angeschlossen. Showing a conventional electrostatic microphone capsule, is the electrode 12. She has now been given a second role and is connected to the microphone amplifier not only the electrical contact as one of the two capacitor electrodes of the electro-acoustic transducer, but via a second contact 14 also connected to a second electrical circuit. Dadurch ist es möglich, die Elektrode 12 durch Anlegen einer Steuerspannung an der Kontaktierung 14 in ihrer Dicke und damit auch den Abstand zwischen Elektrode 12 und Membran 1 zu verändern. Thereby, it is possible to change the electrode 12 by applying a control voltage at the contact 14 in its thickness and thus also the distance between electrode 12 and membrane. 1 Es ist selbstverständlich auch möglich, die Piezoelemente im Bereich desHalteringes 15 für die Membran anzuordnen und so den Abstand zwischen Membran und Elcktrode direkt und nicht über den Umweg der Änderung der Dicke der Elektrode 12 zu ändern. It is of course also possible to arrange the piezoelectric elements in the field desHalteringes 15 for the diaphragm and so as not to change the distance between the membrane and Elcktrode directly and indirectly via the change in the thickness of the electrode 12th
  • [0033]
    Besonders vorteilhaft ist dabei die Beeinflussung der Empfindlichkeit des Mikrofons auf diese Weise. It is particularly advantageous to influence the sensitivity of the microphone in this way. Man kann dann auf die weiter oben besprochenen externen Abschwächungskondensatoren verzichten und statt dessen direkt den Abstand zwischen Membran und Elektrode verändern. One can then dispense with the discussed above external attenuation capacitors and instead vary the distance between the membrane and electrode directly. Dabei entspricht eine, durch das Anlegen einer Kontrollspannung an die Elektrode bewirkte Verkleinerung des Abstands zwischen den Elektroden 11, 14 des Wandlers eine Erhöhung der Kapselempfindlichkeit. In this case, a corresponding, by applying a control voltage to the electrode caused reduction of the distance between the electrodes 11, 14 of the converter to increase the sensitivity capsule. Da mit der Verkleinerung des Abstandes zwischen Membran und Elektrode auch die Kapazität der Kapsel vergrößert wird, erzielt man den Vorteil, das die auf empfindlich eingestellte Kapsel automatisch auch eine große Kapazität aufweist. Also, since the capacity of the capsule is increased with the decrease in the distance between membrane and electrode is obtained the advantage that the automatically also having on sensitive capsule set a large capacity. Da das Rauschen eines C-Mikrofons umso kleiner ist, je größer seine Kapselkapazität ist, ermöglicht es die Erfindung, hochempfindliche und rauscharme Mikrofone zu bauen, die dennoch einen weiten Dynamikbereich besitzen, weil ja für die Aufnahme von lauten Schallereignissen die Kapsel auf unempfindlich (große Distanz zwischen der Elektrode und der Membran) geschalten werden kann. Because the noise of a C microphone is smaller, the greater its capsule capacity is, the invention enables to build high-sensitivity and low-noise microphones, which nevertheless possess a wide dynamic range, because even for the inclusion of noisy sound events, the capsule large on insensitive ( distance between the electrode and the membrane) can be switched.
  • [0034]
    Um besser reproduzierbare Ergebnisse zu liefern, kann im Mikrofon jeweils die Kapselkapazität als Meßgröße für eine Regelschleife herangezogen werden. To provide more reproducible results, the microphone each capsule capacity can be used as a measurement of a control loop. Damit können aber auch Fertigungstoleranzen und Temperatureinflüsse, die sich auf den Abstand zwischen Elektroden negativ auswirken, auf einfache und zuverlässige Weise ausgeglichen werden. But this can also manufacturing tolerances and temperature influences that have a negative effect on the distance between electrodes can be compensated in a simple and reliable manner. Die Schaffung einer entsprechenden Elektronik stellt für den Fachmann auf dem Gebiete der Abstimmung von Mikrofonen in Kenntnis der Erfindung kein Problem dar. The creation of a corresponding electronics is not a problem for the expert in the field of coordination of microphones knowledge of the invention.
  • [0035]
    Da die piezoelektrischen Plättchen in beiden Anwendungsbeispielen elektrisch gesehen hochohmig sind, fließt durch sie kein merklicher Strom, was sich am gesamten Stromverbrauch des elektroakustischen Gerätes positiv auswirkt. Since the piezoelectric plates have a high impedance seen electrically in both application examples, flows through it, no appreciable current, which has a positive effect on the overall power consumption of the electro-acoustic device. Aus elektrischer Sichtweise sind die beschriebenen Plättchen als die Platten eines Kondensators anzusehen, was wiederum bedeutet, daß es nur einen kurzen Ladestrom im elektrischen Steuerungskreis gibt, und zwar nur so lange bis sich der Kondensator bis auf die angeschlossene Spannung aufgeladen hat (einige Millisekunden). From an electrical point of view, the platelets described are to be regarded as the plates of a capacitor, which in turn means that there is only a short charging current in the electric control circuit, namely charged only so long until the capacitor up to the connected voltage has (a few milliseconds). Aus dem oben beschriebenem Grund (kein Stromfluß) kann man die Spannung, an die die Plättchen angeschlossen sind, als Polarisationsspannung bezeichnen. From the above-described reason (no current flow) can denote the voltage to which the plates are connected as a bias voltage.
  • [0036]
    Die Größe der Polarisationsspannung kann man entweder kontinuierlich, oder in vorgegebenen Stufen verändern. The magnitude of the polarization voltage can be either continuously, or changed in given steps. Die Spannungsquelle selbst ist eine Gleichstromspannungsquelle und ihre Spannung kann je nach Bedarf bis zu einigen 100 V betragen. The voltage source itself is a direct current voltage source and its voltage may be as required up to a few 100 V. Da die Spannungsquelle keine nennenswerte Stromintensität liefern muß, ist es auch möglich, auf alle Stromschutzmaßnahmen (Strombegrenzung) zu verzichten. Since the power source must provide no significant current intensity, it is also possible to all current protection measures (current limit) to dispense. Die Spannung kann entweder aus der Stromversorgung des Gerätes gewonnen werden (Phantomspeisung bei Kondensatormikrofonen), oder auch aus einer am Gerät angeschlossenen Regelspannung. The voltage can be obtained either from the power supply of the device (phantom in capacitor microphones), or from a device connected to the control voltage.
  • [0037]
    Es wird die Verwendung von piezoelektrischen Elementen, die einen besonders großen Ausdehnungskoeffizienten aufweisen, selbstverständlich bevorzugt. It is the use of piezoelectric elements, which have a particularly large coefficient of expansion, of course, preferred. Damit ist es möglich, einzelne elektroakustische Elemente einzeln zu beeinflussen. This makes it possible to influence individual electroacoustic elements separately. So können im Bereich der Kapsel bzw. der Reibungspille durch die Anregung mit Steuerspannung Kanäle 16 in einem Bauteil 19 einzeln durch ein piezoelektrisch reagierendes Plättchen 21 geöffnet oder geschlossen werden, wie in der Thus the capsule or the friction pill may range by the excitation control voltage with channels 16 in a component 19 are individually opened by a piezoelectrically responsive plate 21 or closed as shown in the Fig. 6 Fig. 6 dargestellt ist. is shown. Es ist so auch möglich, die Größe eines akustisch bedeutsamen Volumens 17 durch Parallelschaltung zu einem anderen Volumen 18 zu vergrößern wie es die It is also possible to through parallel connection to another volume 18 to increase the size of an acoustically significant volume 17 as the Fig. 7 Fig. 7 zeigt. shows. Es können auch ganze Reibungspillen, die beispielsweise in Schalldurchtrittsöffnungen 35 angeordnet sind, mechanisch verschoben oder "zugedeckt" werden, wie aus der It is also possible friction whole pills that are disposed for example in sound passage openings 35 are mechanically moved or "covered" as from the Fig. 8 Fig. 8 ersichtlich. seen. Dabei ist jeweils mit 21 ein aus piezoelektrischem Material hergestelltes, und auf die oben beschriebene Art mit einer Steuerspannung betriebenes Plättchen gekennzeichnet ist. In each case 21 with a small plate made of piezoelectric material, and operated in the above described type is characterized with a control voltage. Ein so mit Steuerspannung angeregtes Plättchen 21 öffnet oder schließt die für die akustische Abstimmung der im Detail nicht dargestellten Kapsel vorgesehenen Elemente. opens an excited so with control voltage plates 21 or closes the provided for the acoustic tuning of the capsule, not shown in detail elements.
  • [0038]
    Eine dynamische Anpassung eines elektroakustischen Wandlers bzw. Kapsel, der auf dem elektrostatischen Prinzip beruht und als Mikrofon arbeitet, ist dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Hauptschallquelle und dem Mikrofon ein den Schallpegel bestimmender Schallnehmer angeordnet ist, dessen Meßwert zur Regelung der Spannung für das elektrostriktive bzw. magnetostriktive Element herangezogen wird. A dynamic adjustment of an electroacoustic transducer or capsule, which is based on the electrostatic principle, and operates as a microphone, characterized in that the noise-determining sound taker is disposed between the main sound source and the microphone, the measured value or to control the voltage for the electrostrictive . magnetostrictive element is used. Durch die schnelle Datenverarbeitung und die schnelle Anpassung piezoelektrischer Bauteile kann so während einer Aufnahme die Empfindlichkeit des Mikrofons in Abhängigkeit vom aktuellen Schallpegel an diesen angepaßt werden. Due to the fast data processing and the rapid adaptation of piezoelectric devices, the sensitivity of the microphone can thus be adapted depending on the current sound thereto during a recording.

Claims (9)

  1. An electroacoustic appliance with a microphone capsule which has an electrode (12) and a diaphragm (11), and with a microphone amplifier, wherein the electrode (12) and the diaphragm (11) are connected via an electrical contact with the microphone amplifier, characterised in that the appliance comprises an adjustable power supply and the microphone capsule has electrostrictive or magnetostrictive elements (6,7;12;21), preferably piezoelectric components, which via a second contact (4,14) are connected to the adjustable power supply for applying an electrical voltage to the electrostrictive or magnetostrictive elements (6,7;12;21), and in that the variations in the dimensions of the electrostrictive or magnetostrictive elements (6, 7; 12; 21) bring about variations in the internal geometry of the microphone capsule.
  2. An electroacoustic appliance according to Claim 1, characterised in that the electrode (12) is the electrostrictive or magnetostrictive element.
  3. An electroacoustic appliance according to Claim 1, characterised in that the diaphragm (11) is maintained at a distance from the electrode (12) by means of an annular spacer (15), wherein the spacer is the electrostrictive or magnetostrictive element.
  4. An electroacoustic appliance according to any one of Claims 1 to 3, characterised in that the capsule capacitance is used as a measured value for a control loop for determining the voltage for the electrostrictive or magnetostrictive element (6,7;12;21) so as to compensate for production tolerances and temperature influences which have an adverse effect on the spacing between the electrode (12) and the diaphragm (11).
  5. An electroacoustic appliance according to any one of Claims 1 to 3, characterised in that a sound receiver is disposed between the main sound source and the microphone, which sound receiver determines the sound level and the measured value of which is used to control the voltage for the electrostrictive or magnetostrictive element (6,7;12;21).
  6. An electroacoustic appliance according to Claim 1 with at least one sound inlet, characterised in that an electro-acoustic friction pellet is disposed in the vicinity of a sound inlet and comprises two plates (6,7) of electrostrictive or magneto-strictive material, preferably of piezoelectric material, which plates are preferably provided with small openings at the edge, in that the plates (6,7) are metallised on their upper and lower sides and are provided with an electrical contact (4), and in that they are electrically connected in series.
  7. An electroacoustic appliance according to Claim 1, characterised in that the electrostrictive or magnetostrictive elements (21) open or cover a sound transmission opening (35) as a function of their respective geometry.
  8. An electroacoustic appliance according to Claim 1, characterised in that the electrostrictive or magnetostrictive elements connect or separate a first hollow space (17) to or from a second hollow space (18) as a function of their respective geometry.
  9. An electroacoustic appliance according to Claim 1, characterised in that the electrostrictive or magnetostrictive elements (21) open or cover a channel (16) of a component (19) as a function of their respective geometry.
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