EP2572515B1 - 3D-Stereospaltmikrofon - Google Patents

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EP2572515B1
EP2572515B1 EP11754275.3A EP11754275A EP2572515B1 EP 2572515 B1 EP2572515 B1 EP 2572515B1 EP 11754275 A EP11754275 A EP 11754275A EP 2572515 B1 EP2572515 B1 EP 2572515B1
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EP
European Patent Office
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gap
stereo
microphone
sound
microphone according
Prior art date
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EP11754275.3A
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EP2572515A1 (de
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Josef W. Manger
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Manger Daniela
Original Assignee
Manger Daniela
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Publication date
Application filed by Manger Daniela filed Critical Manger Daniela
Publication of EP2572515A1 publication Critical patent/EP2572515A1/de
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Publication of EP2572515B1 publication Critical patent/EP2572515B1/de
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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
    • H04R1/00—Details of transducers, loudspeakers or microphones
    • H04R1/20—Arrangements for obtaining desired frequency or directional characteristics
    • H04R1/32—Arrangements for obtaining desired frequency or directional characteristics for obtaining desired directional characteristic only
    • H04R1/34—Arrangements for obtaining desired frequency or directional characteristics for obtaining desired directional characteristic only by using a single transducer with sound reflecting, diffracting, directing or guiding means
    • H04R1/38—Arrangements for obtaining desired frequency or directional characteristics for obtaining desired directional characteristic only by using a single transducer with sound reflecting, diffracting, directing or guiding means in which sound waves act upon both sides of a diaphragm and incorporating acoustic phase-shifting means, e.g. pressure-gradient microphone
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R5/00—Stereophonic arrangements
    • H04R5/027—Spatial or constructional arrangements of microphones, e.g. in dummy heads
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R1/00—Details of transducers, loudspeakers or microphones
    • H04R1/20—Arrangements for obtaining desired frequency or directional characteristics
    • H04R1/32—Arrangements for obtaining desired frequency or directional characteristics for obtaining desired directional characteristic only
    • H04R1/40—Arrangements for obtaining desired frequency or directional characteristics for obtaining desired directional characteristic only by combining a number of identical transducers
    • H04R1/406—Arrangements for obtaining desired frequency or directional characteristics for obtaining desired directional characteristic only by combining a number of identical transducers microphones
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R19/00—Electrostatic transducers
    • H04R19/01—Electrostatic transducers characterised by the use of electrets
    • H04R19/016—Electrostatic transducers characterised by the use of electrets for microphones

Definitions

  • the invention relates to a 3D stereo-microphone according to claim 1.
  • electromechanical transducers For recording and reproducing noises and sounds, electromechanical transducers have been known for over a century, which convert micromotion movements of air molecules into electrical signals that are processed and stored. At a selectable time, the stored signals can be retrieved and converted back into sound - that is, in movements of air molecules - via other - referred to as speakers - electromechanical transducer.
  • the original goal is to reproduce as accurately as possible at the ear of the hearing human being the same shape movements of the air components that would have reached the ear if the hearer personally and directly heard the respective noise.
  • the information about all individual movements in the air must be stored and reproduced completely and accurately.
  • the "rest" is initially defined by the quasi-static pressure of the ambient air, ie 1413 hectopascals.
  • the movement of the mass which contains a body, is called in the German language "impulse”, in other languages also as “momentum”.
  • the momentum is a vector quantity, so besides an amount, it also has a direction.
  • Pulse and velocity are vectors with a certain amount and a certain direction.
  • the pulse change is crucial in the development of a sound move, because only by the sound-giving body is formed in its mass volume of changes and / or accelerated because forces exercise in two ways their effect on the body.
  • the brain of modern man as an "artifice" for identifying the direction of the initial sound, that the level of the primary noise pulse on its way to the brain of specialized nerve cells up to thirty times amplified. During this time, the impulse rises clearly from the normal level and returns a few milliseconds thereafter to the normal state, in which the ear is given priority to the perception of periodic signals such as, for example Tones is focused.
  • the signals of the left and right ears can be compared and evaluated so that the direction of the noise pulse can be located. This ability is also known as binaural hearing.
  • interaural transit time differences ITD
  • interaural level differences ILD
  • Runtime differences can be evaluated by the human ear already from a size of 10 ⁇ s for directional localization, which corresponds to a localization sharpness of about one degree.
  • a transit time difference of 630 ⁇ s the localization increases approximately proportional to the transit time difference.
  • a runtime difference of 630 ⁇ s corresponds to a path difference of the sound of 21.5cm. This size is also called “Hornbostel-Wertheimer constant" and corresponds to the average distance between the two ears on the human head.
  • the brain evaluates primarily the phase differences between the signals of the two ears and determines from this the interaural transit time difference (ITD).
  • ITD interaural transit time difference
  • the localization is based on the evaluation of interaural level differences ILD, as well as on the evaluation of interaural group delay differences, ie the propagation time differences of the signal envelopes.
  • the course of this pressure change can be divided into four different characteristic time zones, which are characterized by different phenomenological effects in humans.
  • the force acting at onset time t0 accelerates the relevant air masses.
  • This acceleration can also be described as a temporal change of the speed.
  • Pm the air molecules moving at variable speed produce the impression of a "pop" or "crackling" in the human ear.
  • the human ear derives the information about the spatial origin of the sound from the difference in transit time of the sound between the two ears, by determining the direction from which it comes. For this purpose, it is already capable within the time interval t0-t1 since, as already mentioned above, the maximum detectable transit time difference of the sound in the evaluation over both ears can be approximately 630 ⁇ s, if an average ear distance of 21 cm, a sound velocity of 343 m / s and an exactly lateral incidence of the sound in the direction of an imaginary connecting line between the two ears can be assumed.
  • the brain After measuring the direction of the sound, the brain focuses in a second time zone t1 - tv on the detection of the cause of the sound pulse. Typical for this time zone is the compensation of the maximum achieved air pressure value Pm . This pressure equalization produces another sound, which resembles a so-called "decaying fundamental tone".
  • root refers to the music that deals primarily with “tones”, so with periodic vibrations. These vibrations are almost never exactly sinusoidal in practice, but can be broken down into a sum of numerous sinusoids, which is referred to as Fourier analysis.
  • the type of fundamental sound recorded by the hearing organs depends, inter alia, on the time-transported energy of the jump excitation.
  • the duration of the masking time is depending on the suggestion z. B. 10 ms to 22 ms, which corresponds to a sinusoidal or cosinusoidal onset excitation of a number of about 9 to 22 periods of a 1 kHz sine wave.
  • t0 - tv Before expiry of this time interval t0 - tv , according to precise empirical findings of the inventor, only the location and type of a sound source are perceptible.
  • the third time zone is the so-called blur area around the time tv .
  • the brain is no longer limited to comparisons with noise patterns in the evaluation of pressure changes, but it sets in the pitch sensation.
  • the blur area begins - depending on the individual about 10ms after the onset time t0 and ends at the latest about 30 ms after t0 .
  • the listening consists of the first time zone, which begins with the onset at the time t0 and which is almost exclusively reserved until the time t1 for the innate brain process for locating the sound source.
  • the second part of the "hearing" is the second time zone t1 - tv , which is mainly used for comparison with learned noise patterns. Only in the third time zone, the blur range from about 10ms to about 30ms after t0, these processes are completed and the fourth time zone begins with the recognition of pitches and timbres.
  • the lead tone which then determines the whole sound by its pitch, could be explained by the fact that in most sounds, the fundamental tone of that part of the highest amplitude is. And, as a rule, the fundamental tone actually dominates among the partials.
  • the ear can determine the tone pitch from the totality of the partials.
  • the experience is stored that a harmonic sound always consists of partials and that in a sound mostly the fundamental dominates, which is why basically the sound is assigned the pitch of the fundamental. If a sound appears in the ear, in which the basic tone is not dominated or even missing, it nevertheless reconstructs the familiar sound from the available information, namely from the remaining partials. To a certain extent, the ear extrapolates the missing fundamental tone by deducing from the systematics of the existing harmonics the presence of a fundamental tone.
  • spectral apparatus of hearing like any other spectral apparatus, serves to represent temporal changes as stationary events. It could therefore be that the effort of the spectral analysis of the sound movements in the ear serves to obtain stationary and thus learnable and storable information.
  • the cochlea consists - Rolled apart and simplified described - from three parallel, flexible hoses, also called Scala.
  • the middle of the three tubes is the Scala media, which adjoins the Scala vestibuli on one side and the Scala tympani on the opposite side.
  • the Scala vestibuli and the Scala tympani are connected and both are filled with the liquid perilymph.
  • the interface between the medial scala media and the scala vestibuli is the Reissner membrane and the connecting surface between the scala media and the scala tympani is the basilar membrane.
  • the latter is narrow and stiff at the beginning of the cochlea and broad and soft at the end.
  • An incoming sound impulse is introduced from the stirrup via the oval window into the Scala vestibuli and propagates there in the liquid perilymph as a traveling wave.
  • the pressure is passed through the Reissner membrane into the Scala media and from there through the basilar membrane into the Scala tympani.
  • the length of the rolled-out cochlea of 31.5 mm also corresponds to the lower limit frequency of the human perceived as a sound vibration of 16 Hz.
  • the hair cells which are connected at one end to the Tektorial- or cover membrane and are connected at the other end on the basilar membrane with nerve cells.
  • the tectorial membrane is a narrow strip that extends parallel to the basilar membrane through the scala media and there is swiveled on a longitudinal edge.
  • tubular scala media in the middle between the two tubes of the Scala vestibuli and the Scala tympani is filled with a liquid, namely the endolymph .
  • the movements of the Scala vestibuli and the Scala tympani are therefore also passed on to the endolymph in the Scala media.
  • the tectal membrane and the basilar membrane also pivot against one another and thus excite the actual sound sensors in the inner ear, namely the hair cells, which then transmit messenger substances that they store in small vesicles to the brain as information about nerve cells.
  • the hair cells transmit the information with the greatest temporal precision and show the highest transfer rates in the entire nervous system. Only since 2005 is it clear how the hair cells can achieve such high rates.
  • the hair cells are divided into two groups, namely the inner hair cells (IHZ) and the outer hair cells ( ⁇ HZ).
  • the inner hair cells in the Scala media recognize because of their mechanically rectilinear alignment on the basilar membrane from otherwise uniform-rectilinear sound movements a curvature in the positive and negative directions as the absolute physical time cause of an accelerated change in movement in the sound approach from the rest or its sonic extension ,
  • This vector sensor technology of the hair cells is made possible by the fact that, in contrast to the outer hair cells, they are not connected to the tectorial membrane. Instead, they can float freely within the endolymph fluid of the cochlea. So far, they are represented in the literature as well as the outer hair cells as docked to the tectorial membrane.
  • the available analysis area is 31.5 mm cilia path length. This path length is traversed by an impulse impulse in about 5ms from the oval window to the heliocrotrema.
  • the dispersion with its root from the velocity of the bending wave mechanism in the cochlea widens the ratio of the time range from 10 ⁇ s to 10 ms, ie 1: 1000, to 1: 31.6 ms duration. Thus, the distance traveled is 31.6mm.
  • bipolar hair cells In this straight line, approximately 3,200 bipolar hair cells (IHC) can be detected, which can detect the direction and the amplitude (maximum 30 dB) above the threshold of hearing as changing pulse formation in the sound as information (lat .: in-form-shaping) ,
  • An example is the so-called "beat" of a bell. The reason is that it is just a momentum impulse, without periodicity and of an instantaneous nature (Trendellenburg: Akustik, p. 59, Springer 1961).
  • the transverse vector circle For the complete pulse interval - in contrast to the "onset time" for localization - the transverse vector circle is available, its circumference is 2 x 5 ms x 3.14 ( ⁇ ), giving a runtime detection range of 31.4 This means that 31.4 ms are available for the sounding body in its image as the source location and form of hearing (see Fig.1 ).
  • the single image of an iconic representation is subconsciously presented in human perception as a hearing event when the smallest point (3200: 31.4 ms ⁇ 10 ms) for the central imaging capability of 10 ⁇ s duration in its auditory acuity from the world of technology of the human hearing world can be made available.
  • the new 3D stereo slit microphone technology is used for this purpose.
  • the sensory cells docked on the tectorial membrane analyze, on the basis of their sinusoidal half-wave arrangement, also called V or W-shaping, the periodic sound vibrations which, depending on their pitch, are mapped with their amplitude maximum at a specific location on the basilar membrane.
  • V or W-shaping sinusoidal half-wave arrangement
  • 30 dB results in the amplitude maximum, which together with the IHZ results in up to 120 dB, the pain threshold ( Wolf D. Keidel, Er Weg, Physiology of Hearing, Thieme Verlag Stuttgart 1975 ).
  • Many ideas and models since Helmholtz have been published in the scientific literature.
  • Fig. 2 shows at the top left the rectangular electrical input signal for the drive of the loudspeaker and besides the theoretically ideal pressure change at a place in front of the sound generator.
  • the bottom two rows show waveforms actually obtained and measured with a measuring microphone when six randomly picked-out conventional studio interception loudspeakers are used as sources to produce the dynamic pressure change of the air.
  • the loudspeaker diaphragm is a relatively inert mass which is pushed in one direction by the electric drive, opposing the deflection of the spring force of the diaphragm and its suspension until the mass comes to a standstill. Then the spring action accelerates the membrane again in the other direction, swinging beyond its original rest position. With this transient, the speaker settles to vibrations with a certain frequency.
  • Pulse-fidelity refers to the ability of a loudspeaker to follow a pulse-shaped signal as completely as possible without transient or decay processes. Instead, most speakers are state-of-the-art even vibrations with low, medium and high frequencies, which are caused among other things by partial vibrations on the membrane, a generally hard-hanging membrane and cavity resonances in the speaker and in the listening room.
  • a conventional loudspeaker diaphragm When a conventional loudspeaker diaphragm is to emit a pulse, it triggers the movements of the loudspeaker diaphragm, which wave outwards. This will still radiate sound, although the impulse is long over. As a rule, the edge of the membrane is not terminated with the correct characteristic impedance so that the wave is reflected and the pulse is further extended.
  • this bending wave converter deviates dramatically from conventional transducers with conical membranes.
  • a soft, viscoelastic membrane is used for sound radiation, which has almost no restoring elasticity in the direction of their excitation. It generates bending or traveling waves, which migrate from the center to the edge and leak there without producing natural oscillations and / or standing waves.
  • extremely short rise times in the range of up to 14 microseconds corresponding to the first time zone t0-t1 can be achieved. With such bending wave transducers, it is possible for the first time to trace the curves Fig. 1 to reproduce almost unaltered.
  • bending wave transducers according to the principle of JW Manger are essentially free of natural oscillations, so that when a listener is removed from the stereo center, even a sophisticated sense of hearing does not change since the closer speaker is not perceived as disturbing due to the lack of substantial natural oscillations. This allows several people to enjoy the same content simultaneously. And especially in the approach of sound vibrations, the crucial part of every sound for the geometric location in the brain of the hearing person.
  • the music listener comes close to the illusion of sitting in front of the instrument itself, because the reproduction is virtually inaudible, since the MSW converter no longer emits transient noises. Instead of the sounds of the loudspeaker, the only thing that the ear hears is the transient effects of the musical instruments, which locate the instrument in the concert hall and reproduce its character image.
  • the decisive feature is the thin and flexible membrane, which consists of three layers. It does not store forces caused by drive or springback. Instead, the counteracting mass and spring forces cancel their storage components within the membrane itself. They are dissipated with the sound as heat.
  • the membrane oscillates at a rise time of only 0.014 milliseconds to the signal frequency and holds this sound to the musical signal change. With a single membrane, the entire transmission range from 80 hertz to 33 kilohertz is covered. Thus, the necessary in conventional multi-speaker crossovers and phased overlaps in the sound image determining frequency range can be avoided.
  • the sound is created on a single, relatively small area, which in comparison to previous systems has come very close to the ideal of producing sound in one point. All the waves that define it form a complex sound pressure wave form in front of the membrane, as high and low frequencies occur simultaneously at different points of the membrane. Compared to conventional loudspeakers, the input signal is imaged almost perfectly so that the original and complete sound pressure image, which once reacted with the microphone, reaches the human ear.
  • FIG. 4 shown in the same measurement method as in FIG. 3 was applied.
  • the speaker was thus excited with a rectangular voltage and recorded its step response with a measuring microphone.
  • the curve A 0 -B 0 results for the course of the air pressure on the bending-wave transducer over time.
  • the measuring microphone is then moved out of the central axis in increments of approximately 15 °, the measuring microphones measure the pressure curves A 1 -B 1 to A 4 -B 4 .
  • the course of the pressure increase at the bending wave converter becomes more and more an S-curve. The increase is therefore not linear.
  • FIG. 4 the measurement result is reproduced on the time axis with a scale of 50 microseconds per grid unit.
  • FIG. 4 shows that the non-linear course of the pressure increase of the curve A 4 -B 4 extends over the period of about a grid length, ie of about 50 microseconds.
  • the "first time zone t0-t1" of human hearing with the sound source location after such a long time has almost passed. Therefore, even with a bending wave converter according to the principle of JW Manger perfect reproduction of the sound source location without another tool only possible if the listener is in the central axis of the bending wave transducer.
  • FIG. 5 is the result of a same measurement as in FIG. 4 reproduced, but here with an acoustic deflector covering one half of the bending wave transducer. Also in this measurement, the measuring microphone is again first in the central axis the bending wave transducer arranged and then removed in each case in steps of about 15 ° from this central axis out.
  • FIG. 5 shows as a measurement result very clearly that the curve increase is absolutely linear regardless of the respective angle.
  • microphones which, as electroacoustic transducers, convert the motion impulses of the air surrounding them, which have been produced by sounds and sounds, into corresponding electrical voltage impulses.
  • a condenser microphone causes the least distortion in the conversion of the sound pressure image into an electrical voltage.
  • a condenser microphone consists of a very thin, flexible and electrically conductive membrane, which is electrically insulated and mounted at a very short distance in front of a metal plate.
  • the membranes usually have only a material thickness of a few micrometers, so that they are still set in motion by very weak motion pulses of the ambient air.
  • Between the membrane and the metal plate is an air layer which is compressed with each movement of the membrane.
  • the metal plate is usually provided with numerous holes through which the pressurized air flows and flows into a - also air-filled cavity behind the metal plate, compared to the air space between the membrane and Metal plate is very big.
  • Such an arrangement acts electrically like a plate capacitor with an air dielectric. In practice, capacities of about 20 to 100 pF are typical. The motion impulses of the surrounding air also move the membrane, which changes the distance between the membrane and the metal plate and thus the capacitance of the capacitor.
  • the capacitor In order to convert these variations in capacitance into an electrical voltage signal, the capacitor is connected through a high resistance resistor to a DC voltage source, such as a capacitor. connected to a battery that charges it.
  • a DC voltage source such as a capacitor. connected to a battery that charges it.
  • a proportional voltage pulse can be tapped at the resistor and fed to a microphone amplifier.
  • This microphone amplifier acts as an impedance converter and adjusts its impedance directly to the cable for signal transmission. The signal voltage is not amplified.
  • the resistance value must be set so high that with a change in capacitance in the rhythm of the lower limit frequency (for example 20 Hz) the charge is still sufficiently constant, so that the voltage on the capacitor changes with the sound vibrations.
  • the lower limit frequency for example 20 Hz
  • resistance values of up to about 1 G ⁇ result.
  • Such a condenser microphone for example, explains the published patent application DE 10 2008 013 395 A1 , It describes how the metal plate can be made to face the diaphragm from a material originally intended only as an electronic circuit board. On a mechanically very stable carrier material, for example of ceramic, a thin copper layer is applied, which can be brought into the required form for a condenser microphone with little effort.
  • each electrical signal is supplied to its own sound transducer, so a total of two sound transducers are driven.
  • Such microphones are also known as stereo microphones.
  • a stereo microphone provides the DE 91 01 371 U in front. It lists a total of three microphones, which are arranged side by side and can be brought into different angles to each other. When the microphones are aligned at an angle to each other, the sound impulses only hit one microphone frontally and the other side. Since each microphone has a directional characteristic, the two signals differ significantly. This creates the disadvantage of mutual distortion.
  • the difference in transit time is based on the principle of DE 91 01 371 because of the distance of the microphones to each other - a dramatic for the detection of the direction of the sound signal distortion.
  • the human ear In the phase described in this application as a "second time zone of the perception of an acoustic pulse" in which the nature of the sound signal is evaluated, the human ear also evaluates level differences between the left and the right ear.
  • coincidence microphones in which two directional microphone capsules are arranged very close together in a common microphone housing.
  • the two microphone capsules are rotated in their reference axis in the axis angle against each other and usually have changeable directional characteristics.
  • phase differences phase differences due to path differences with oblique sound incidence between the two microphone channels.
  • the phase difference is relatively much larger.
  • coincidence microphones are usable only for pure, monocompatible intensity stereophony, which avoids extinction or impairment of frequency components in the electrical addition of the two stereo signals to a mono signal.
  • the invention has the task of developing a stereo microphone that converts motion impulses and sound waves of the surrounding air into two electrical voltages with which - after adequate amplification - a high-quality speakers - such as the bending wave transducer after According to the principle of JW Manger - and then gives the ambient air motion impulses, which not only sound and sound perceived as sound waves, but also generate air movements, with the help of which the human ear can locate the source of movement impulses in three - dimensional space and the Art of the sound signal at the beginning of the transient can assess.
  • the aim of the invention is therefore a stereo microphone, which converts pulses of motion of its ambient air into electrical voltages, which in turn another, electrical converter is controlled so that the air movements generated by it are identical to those air movements that activates the stereo microphone according to the invention during recording to have. It is therefore an essential part of the object of the invention to enable a three-dimensional spatial hearing.
  • the invention teaches that the metal plate is divided by a gap in a left metal plate as a left counter electrode and a right metal plate as a right counter electrode, which are electrically isolated from each other and each have their own electrical connection.
  • the 3D stereospalt microphone according to the invention thus closes the chain in the complete transmission, storage and subsequent reproduction of sounds and sounds.
  • the microphone according to the invention also absorbs the extremely rapid changes in shape which the human ear detects the vectorial character of sounds and sounds needed.
  • the result is not just information to the listener, e.g. an orchestra on which side of the podium the timpani were set up and at what point on the stage the brass instruments stood, but also on the details of the sound information at the beginning of a sound and when switching from one sound to another. Only at the beginning of a sound pulse - namely in the first approximately 60 microseconds - does the brain's auditory center evaluate the information received with respect to the spatial orientation of the sound movement. Only in this period of time can the hearing detect the vectorial character of a sound image. The task of three-dimensional hearing becomes possible only with a microphone according to the invention.
  • a microphone according to the invention receives and electrically reproduces this aperiodic, spatial information which is also at the beginning of each new periodic oscillation, that is continuously and repeatedly an essential part of the sound image.
  • a microphone according to the invention enables complete recording and conversion of a complete sound image.
  • tone consisting of its root and its harmonics - determine what is often referred to as "timbre” or "character.” It is only because of these features that it is possible to distinguish the sound of, for example, a Stradivarius from another ordinary violin.
  • the metal plate of a conventional condenser microphone is divided by a gap in a left metal plate and a right metal plate. Both metal plates are electrically isolated from each other, so that from each metal plate own electrical signal for driving the respective speaker for the left and for the right side can be tapped.
  • both metal plates have a single membrane in common. This results in two microphones, which have a previously considered impossible, tiny distance from each other and whose other differences are dramatically reduced compared to the prior art.
  • the very decisive and significant effect of the invention is that through the gap, the two metal plates and thus the two, directly juxtaposed microphones even the slightest differences in the duration of the sound can already be distinguished and recorded.
  • the two metal plates receive motion impulses that hit them directly on the front without any difference in transit time - ie exactly at the same time.
  • the two signals generated by a 3D slit microphones according to the invention are exactly identical for exactly vertical sound pulses. With obliquely incident sound pulses, the differences in the transit time and in the level can be detected exactly.
  • the source and species information is included in the first 30 milliseconds of each sound signal, whether it is a sound or a changing sound. In contrast to the prior art, this information is also contained in the first 30 milliseconds of the two emitted by the inventive 3D stereo microphone, electrical signals.
  • the invention proposes, as a variant embodiment, that the gap between the two metal plates is completely filled by an electrical insulator.
  • the material of this insulator should have the highest possible dielectric strength, but preferably should not increase the capacitance between the two edges of the metal plates, i. So do not have a high dielectric constant, which increases the total effective parasitic capacitance.
  • the capacity of each individual half of the microphone capsule is about 25-30 picofarads.
  • the parasitic capacitance between the two front edges has an order of magnitude of 3-4 picofarads, ie about one-tenth of the capacity of the actual two microphone capsules.
  • This value causes such a low "crosstalk" between the two channels of the 3D stereo microphone according to the invention that it does not matter in practice. Therefore can be achieved with the microphone according to the invention for the first time that the electrical signal contains not only the basic information about the motion pulses of the surrounding air, but also all those information when settling a sound that needs human hearing to the direction and thus the place as well be able to determine the type of sound signal quickly and accurately.
  • the invention proposes a gap width of 100 microns.
  • the width of the gap is limited to a value between 40 microns and 10 microns.
  • the gap has the profile of a truncated cone, that is, on the side facing the membrane of the two metal plates is significantly narrower than on its opposite side.
  • a 3D stereo microphone according to the invention is constructed in the simplest embodiment as a pressure receiver, which has only one large opening, which is covered with a membrane. This achieves an approximately spherical directional diagram. Only for high and highest frequencies, the directional diagram has a preferred direction, so it is aligned with the sound source.
  • a 3D stereo microphone according to the invention also has two openings in its hollow body, each of which is closed with its own membrane.
  • a microphone capsule is used as a so-called "pressure gradient receiver". This can be seen on the outside of the microphone because there are openings on both sides of the microphone capsule for the entry and exit of air.
  • sound reflections which additionally act on the microphone, for example in interiors are masked out, since only the difference between the pressure wave arriving from one side and the wave reflected from the other side is detected. Therefore, a Druckgradientenemplinder basically has a directional characteristic.
  • a microphone capsule according to the invention can also be used in all other known constructions of a condenser microphone to be presented.
  • spherical bodies such as kidney, supercardioid or hypercardioid, separators, shotgun bodies, miniature bodies and / or other, known in the current state of the art surrounded by additional mechanical elements or physical forms.
  • the two metal plates of the otherwise separate, two microphone capsules can be mounted on a common carrier.
  • a common carrier As a result, an increased mechanical stability and increased accuracy for the adjustment of the gap between the two metal plates are achieved.
  • This also increases the accuracy of the proportion of the electrical signal, which after the conversion into sound movements of the air allows the human ear to localize, so makes up the three-dimensional portion of hearing. By a lifelike "in-form-make" thus increases the information content of the sound signal.
  • the invention proposes that a partition wall adjoins the insulator in the gap and / or on the left metal plate and / or on the right metal plate near the gap and adjoins the microphone capsule. This achieves complete separation of the cavity behind the two metal plates.
  • the invention recommends to separate the two chambers even air-tight from each other, because thereby any crosstalk from the "back" of the metal plates is avoided forth.
  • each of these two chambers should be connected to the outside atmosphere via a small bore so that the air in the chambers does not stress the membrane like a spring, and thus air pressure changes do not squeeze or inflate the chambers like the can of a barometer.
  • the metal plates and the membrane may be oriented at any angle to each other.
  • the invention prefers that the two metal plates are aligned parallel to the diaphragm, because then the errors in the conversion of the sound pressure into electrical voltages are lowest.
  • a preferred embodiment of the 3D slit microphone according to the invention has a membrane with an extremely low bending strength.
  • the advantage is that the incident sound movements are distorted less and less with decreasing flexural strength of the membrane. This is why in practice for the membrane a gold foil with a thickness of a few microns may be a preferred variant.
  • the shape of the hollow body serving as a microphone capsule is in principle arbitrary. However, for good transmission at all frequencies and at all slopes of a pulse, regular shapes are advantageous.
  • the invention prefers that the microphone capsule is formed as a hollow cylinder whose lower end face is closed and whose upper end face is the opening which is closed by the membrane and the cross section of the hollow cylinder is a circle.
  • the metal plate is halved with respect to the membrane by a gap, it may also be useful to form the surfaces of both metal plates into an oval or an ellipse.
  • the gap passes through the geometric center of the microphone capsule.
  • the gap is arranged in the region of the lowest bending strength of the membrane.
  • the microphone according to the invention can also detect very small transit time differences between two sound movements.
  • the shape of the gap is arbitrary in the most general case.
  • a grader gap reduces the parasitic capacitances between the two metal plates to the lowest possible level.
  • the smallest possible gap is preferred which has the same dimensions over the entire length.
  • the reduction of parasitic capacitance between the two adjacent metal plates can be the reason for widening the gap to the outside and giving it the shape of a parabola, for example.
  • an electrical energy source e.g. connected to a battery and a load resistor and tapped at each load resistor, an electrical signal that is supplied to an impedance converter and then a microphone amplifier.
  • a 3D slotted microphone according to the invention can also be produced as an electret microphone in a simpler embodiment.
  • the advantage of an electret microphone over the condenser microphone is that it uses a permanent electrostatic polarization through an electret foil as a capacitor bias instead of an external supply voltage.
  • the membrane On the metal plates opposite the membrane an electret film is applied in each case, which provides for the membrane bias.
  • the electret is fixed and the membrane is a metallised, lighter foil.
  • the size of the microphone capsule is usually between two millimeters and one centimeter.
  • the frequency response can in practice in a design as a pressure receiver - so a microphone with omnidirectional - range from 20 Hz to 20 kHz. Since no high bias for the membrane is needed because of the electret, in practice, a voltage of about 1.5 V is sufficient to supply the impedance converter.
  • a 3D stereospalt microphone according to the invention is integrated in a hearing aid.
  • a hearing aid it could create dramatic relief, especially for the elderly, in which often an aging of the organ of equilibrium anyway generates orientation difficulties.
  • a inventive 3D split microphone z. B. is integrated in the front of a pair of glasses and thus allows a precisely directed hearing, so even the hearing impaired allows again to be acoustically oriented in the room.
  • a 3D slit microphone is a vector microphone that absorbs sound velocity and sound pressure. This makes it possible to record the particle movement and its intensity.
  • FIG. 6 the section through an inventive 3D stereo microphone is shown.
  • the embodiment shown here consists of a hollow cylindrical microphone capsule 1, the underside of which is closed by a molded-on plane.
  • the microphone capsule 1 has on its upper side the opening 11, which is surrounded in this embodiment by two circumferential projections.
  • the metal plate 3 On the lower projection in the opening 11, the metal plate 3 is mounted, which is the counter electrode to the diaphragm 2 as the first electrode.
  • FIG. 6 is the essential element of the invention very clearly and to recognize at first glance, namely the division of the metal plate 3 through the gap 4 in the metal plate left 3L and the metal plate right 3R.
  • the gap is 4 in FIG. 6 relatively large in size, although in practice it is typically narrow with a width of typically 10-40 microns, so that it can be scaled to a scale of FIG. 6 only to be identified as a dash.
  • the second projection of the microphone capsule 1 runs around, on which the membrane 2 is fixed isolated.
  • the membrane 2 runs parallel to the two metal plates 3L and 3R. It can also be seen very clearly that the diaphragm 2 as the first electrode and the metal plate 3L on the left as a counterelectrode and the metal plate 3R on the right as counterelectrodes each together with a part of the diaphragm 2 form a plate capacitor.
  • the dielectric of these two plate capacitors that is to say the material between the first electrode and the respective counterelectrode, is air in a 3D stereo-gap microphone according to the invention.
  • FIG. 6 The function of a 3D stereospect microphone according to the invention is shown in FIG. 6 to understand very well. If a sound movement provides for a movement of the air molecules and this movement propagates from air molecule to air molecule, then it will arrive after the end of the duration of the sound movement to a point of the membrane 2 and deform it. Depending on whether it arrives in the left region of the membrane 2 or in the right region of the membrane 2, it ensures a "dent" of the membrane 2. Thus, the capacity between the membrane 2 as the first electrode and the two metal plates 3L and 3R as counterelectrode.
  • FIG. 6 Is shown in FIG. 6 the embodiment with a partition wall 5, which is connected in the embodiment shown here airtight with the microphone capsule 1, and also airtight with the respective edges of the two metal plates 3L and 3R.
  • FIG. 6 is shown that the two chambers are each connected by a small hole with the outside air, so as not to be compressed or blown apart like a barometer can with changes in the atmospheric pressure of the ambient air.
  • This bore also serves to escape air that would otherwise be compressed by a "bulging" of the membrane 2.
  • FIG. 6 is shown as a variant of the metal plate left 3L and right 3R a fine perforation. Through these holes escapes the small air cushion between the membrane 2 and the two metal plates left 3L and right 3R.

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Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf ein 3D-Stereopaltmikrofon gemäß Anspruch 1.
  • Zur Aufzeichnung und Wiedergabe von Geräusche und Tönen sind seit über einem Jahrhundert elektromechanische Wandler bekannt, die als Mikrofon Bewegungen von Luftmolekülen in elektrische Signale umsetzen, die aufbereitet und gespeichert werden. Zu einem wählbaren Zeitpunkt können die gespeicherten Signale abgerufen und über andere - als Lautsprecher bezeichnete - elektromechanische Wandler wieder zurück in Schall - also in Bewegungen von Luftmolekülen - umgewandelt werden.
  • Seit März 2006 existiert von der DEUTSCHEN GESELLSCHAFT FÜR AKUSTIK e.V., Voltastr.5, Geb. 10-6, 13355 Berlin die DEGA-Empfehlung 101: Akustische Wellen und Felder. Darin ist auf S. A10 über die Hörakustik zu lesen: "Wenn jedoch komplexe Wahrnehmungen auszuwerten sind, z.B. bei der Qualitätsbeurteilung von Lautsprecherboxen, kann auf subjektive Tests nach wie vor nicht verzichtet werden." Auf die menschliche Wahrnehmung bezogen, sind die zahlreichen, derzeit üblichen Fachbegriffe zur Darstellung in den physikalischen, elektrischen und mechanischen Fachbereichsebenen eher verwirrend. Deshalb wird in diesem Patentantrag als Oberbegriff für die Hörakustik-Darstellung das Wort "Information" bevorzugt, das gemäß seinem lateinischen Ursprung in Transkription die "In-Form-Machung" von Schallereignissen ist. Die darin enthaltene, vierfache Komplexität der menschlichen Wahrnehmung von "Ort und Form und Klang und Umgebung" ersetzt die in den meisten Fachbereichen verwendeten Begriffe wie Signal, Nachricht, Muster, Gestalt, Knall, Geräusche, Töne, Klänge und räumlichlbinaurales Hören.
  • Das ursprüngliche Ziel ist, bei der Wiedergabe am Ohr des hörenden Menschen so exakt wie möglich die gleichen Formbewegungen der Luftbestandteile zu erzeugen, die dann am Ohr angekommen wären, wenn der Hörende persönlich und direkt das jeweilige Geräusch vernommen hätte. Dafür müssen die Informationen über alle einzelnen Bewegungen in der Luft idealerweise vollständig und formgenau gespeichert und wiedergegeben werden.
  • Auf aktuellem Stand der Technik gelangt in der Praxis jedoch stets auf dem Weg von der ersten Umwandlung im Mikrofon über die Bearbeitung und Speicherung der elektrischen Schall-Information und der zweiten Umwandlung im Lautsprecher nur ein mehr oder weniger großer Anteil der Bewegungsinformationen ohne Verfälschung zurück in tatsächliche Luftbewegungen. Interessant ist, dass das gehörangepasste Audiokodierverfahren als "nicht Kurvenform - erhaltend" in der Literatur beschrieben wird (Thomas Sporer, Tech. Fakultät Universität Erlangen-Nürnberg-Ilmenau, Dissertation 1998, S.8).
  • Um zu zeigen, dass konventionelle Lautsprechersysteme und die bisher bekannten Mikrofone nur einfache Kurvenformen übertragen können, ist eine vergleichsweise sehr ausführliche Beschreibung der physikalischen Grundlagen und des bisher erreichten Standes der Technik erforderlich. Erst auf dieser Grundlage wird das Ziel dieser Erfindung erkennbar und nachvollziehbar, bei dem auch die vektoriellen Informationen in richtungsbezogener Formbewegung garantiert werden, so dass der Zuhörer zu den Klängen und Tönen auch deren Schallort und deren Formidentität formgenau, und damit lebensecht in 3D erfahren kann.
  • Auf aktuellem Stand der Technik wird es fast ausschließlich als die Aufgabe von Schallwandlern angesehen, periodische Schwingungen umzuwandeln, und zwar sowohl bei der Umwandlung von Schall in elektrische Spannungen - also einem Mikrofon - als auch bei der Umwandlung von elektrischen Spannungen in Schall - also bei einem Lautsprecher. Alle Kurvenform-Details im Schall werden deshalb fast immer als eine Überlagerung aus Wellen oder Schwingungen mit verschiedenen Amplituden und Frequenzen dargestellt.
  • Dabei wird jedoch vernachlässigt, dass Schall bereits bei der geringsten Bewegung eines Luftmoleküls entsteht. Dem entsprechend zeigen neueste Erkenntnisse, dass diese nur auf Wellen, Schwingungen und andere periodische Bewegungsformen fokussierte Betrachtungsweise zu eng ist, denn genau genommen ist schon die Bewegung eines einzigen Luftmoleküls bereits Schall.
  • Es ist also eine ganz wesentliche Erkenntnis, die die Basis der bisherigen Hörakustik grundlegend erweitert, dass auch eine nicht periodische Bewegungsform der Luftmoleküle Information im Schall ist und bei der Auslegung von elektromechanischen Wandlern unbedingt mit beachtet werden muss. Deshalb ist es für höchste Ansprüche an Schallwandler sinnvoll, ihre Eigenschaften und Fähigkeiten in Bezug auf nichtperiodische und periodische Bewegungsformen zu prüfen und zu optimieren.
  • Zur Charakterisierung von Schall muss der jeweilige Umkreis der folgenden drei Begriffen näher untersucht werden, nämlich "Ruhe" und "Impuls" und "Schwingung oder Welle". Bisher wurde beim Thema Schall vorrangig nur die Schwingung als eine stationäre, körperhafte und periodische Bewegungsform betrachtet.
  • Dieser Horizont ist eindeutig zu eng und muss auf nichtperiodische Bewegungsformen sowie den Gegensatz zu diesen Bewegungsformen ergänzt werden, nämlich die "Ruhe". Dabei ist die "Ruhe" zunächst einmal durch den quasi statischen Druck der Umgebungsluft definiert, also 1413 Hektopascal.
  • Die darin stattfindende "Braun'sche Bewegung" der Luftmoleküle ist genau genommen bereits eine Form von Schall, die auch als "Grundrauschen" bezeichnet wird. Es ist bekannt, dass zum "Wohlbefinden", also zum Normalzustand des Gehörs die Wahrnehmung dieses Grundrauschens zählt. Versuche haben gezeigt, dass Personen, die längere Zeit von dem Grundrauschen ferngehalten wurden, das als Belastung empfinden. Das menschliche Gehör nimmt das Grundrauschen also deutlich wahr, stuft es aber bei der Auswertung im Gehirn als geradliniges Bewegungsform-Rauschen einer unauffälligen Umgebung und damit nicht als Schall ein.
  • Erst wenn sich ein Schall impuls als Kurvenformabweichung aus diesem Grundrauschen heraushebt, wird die Kurvenform als momentan neue Schall-Information bewertet. Daraus entsteht ein Erkennungs"Ansatz" für die vierfache Schall-Information aus Ort, Form, Klang und Umgebung in gesamtheitlicher Hörwahrnehmung. Diese, im Englischen auch "Onset" genannte mechanische Impulsänderung im Schall überschreitet das Grundrauschen, das also auch eine Grundhörschwelle, oder eine Überwachungs-Nulllinie ist. Dieser Zusammenhang ist ein eindeutiger Nachweis für die bisher deutlich unterschätzten Fähigkeiten des menschlichen Hörorgans und insbesondere von deren Auswertung im Gehirn in seiner zeitlich vierschichtigen komplexen Auswertung in zeitlicher Folge, wie auch Figur 1 zeigt.
  • Das vorgenannte Beispiel zeigt, dass bereits erstaunlich geringe Luftbewegungen vom menschlichen Gehör aufgenommen und ausgewertet werden. Deshalb muss für die Definition einer Schallwandlung von höchstmöglicher Güte, also einer Schallwandlung, die im Idealfall überhaupt nicht mehr als solche vom menschlichen Gehör wahrnehmbar ist, nochmals auf die primäre physikalische Ursache der menschlichen Wahrnehmung von Schall eingegangen werden.
  • Das führt zwangsläufig zu den Newton'schen Gesetzen als dem Grundgesetz der klassischen Mechanik: Der Begriff der "Ruhe" steht in Beziehung zum Newton'schen Trägheitsgesetz. Es sagt: "Alle Körper verharren bei Nichteinwirkung von Kräften im Zustand der Ruhe oder im Zustand der gleichförmigen gradlinigen Bewegung." Interessant ist, dass das Trägheitsgesetz bereits für die Schallinformation und für die Konstruktion von Schallwandlern von allergrößter Bedeutung ist. Denn in der Gehörschnecke im Innenohr des Menschen befindet sich eine gradlinige Messstrecke, die durch die bipolaren inneren Haarzellen, die 1HZ, gebildet werden, an denen sich alle Formabweichungen in Richtung und Amplitude als Vektor-Größen abbilden.
  • Die Bewegung der Masse, die ein Körper enthält, wird im deutschen Sprachgebrauch als "Impuls" bezeichnet, in anderen Sprachen auch als "Momentum". So wie die Geschwindigkeit dieser Bewegung ist der Impuls eine Vektorgröße, hat also neben einem Betrag auch eine Richtung.
  • In Newtons Mechanik ist der Impuls p eines Teilchens das Produkt aus seiner Masse m und seiner Geschwindigkeit v :
    • Definition: Impulszustand p = m· v
  • Impuls und Geschwindigkeit sind dabei jeweils Vektoren mit einem bestimmten Betrag und einer bestimmtem Richtung.
  • Im Gegensatz zum Impulszustand ist jedoch die Impulsänderung von entscheidender Bedeutung bei der Entstehung einer Schallbewegung, denn erst dadurch wird der schallgebende Körper in seinem Massevolumen verformt und/oder beschleunigt, weil Kräfte auf zweierlei Weise ihre Wirkung auf Körper ausüben.
  • Wichtig für die Schallbewegungs-Änderung ist das dynamische Kraftgesetz oder Aktionsgesetz von Newton. Es wird auch das "Grundgesetz der Dynamit" genannt und bildet die Grundlage beim Aufstellen der Bewegungsgleichungen für zahlreiche Systeme der Mechanik, also auch für Schallbewegungen in der Luft: "Die Änderung der Bewegung einer Masse ist der Einwirkung der bewegenden Kraft proportional und geschieht nach der Richtung derjenigen geraden Linie, nach welcher jene Kraft wirkt."
  • Oder in einer F̅ormel ausgedrückt: Die eine Bewegungsänderung bewirkende Kraft F ist der Impulsänderung über Zeitänderung bei Massenkonstanz m proportional: F → = d ⁢ p → dt m konstant
    Figure imgb0001
    • mit der Definition der Krafteinheit F = m · a
    • oder Kraft = Masse · Beschleunigung
    • Durch einen Kraftstoß von 1 N· s wird an einem Körper eine Impuls-änderung von 1 kg · m/s hervorgerufen.
  • In der Newtonschen Formel kommt klar zum Ausdruck, dass gekennzeichnete Größen Vektoren sind, also im Raum gerichtete Größen. Das gilt auch für Schallbewegungen.
  • Um die Verluste an Informationen bei konventionellen Schallwandlern bewerten zu können, muss auch grundlegend abgeklärt werden, welche Informationen das menschliche Ohr beim "Hören" überhaupt erhält und wie es sie auswertet. Es ist Teil des Allgemeinwissens, dass das menschliche Gehör unterschiedliche Töne aus einem Gemisch von sinusförmigen Schallwellen mit unterschiedlichen Frequenzen und Amplituden voneinander unterscheidet, wie sie z.B. von Musikinstrumenten erzeugt werden. Auf diese Weise wird beim Hören das Klangbild einer Oboe von dem einer Geige differenziert.
  • Es setzt sich immer mehr die Erkenntnis durch, dass das menschliche Gehör keineswegs ausschließlich auf das Erfassen von stationären, periodischen Schwingungen der Luft beschränkt ist. Eine nicht minder bedeutungsvolle Aufgabe des Gehörs ist vielmehr auch das Erkennen von kurzzeitigen, dynamischen Luftdruckänderungen, sog. Transienten. Sie entstehen bei Geräuschen wie dem Knacken eines Zweiges oder dem Abschuss einer Gewehrkugel.
  • Es ist heute allgemein anerkannt, dass der Mensch auch über einen Erkennungsmechanismus für derartige Geräusche verfügt. Bemerkenswert ist, dass diese Erkennung sehr viel schneller anspricht und viel früher zu der Wahrnehmung einer "gehörten Information" führt, als dies bei Sinusschwingungen der Fall ist.
  • Bereits winzige Änderungen in der statischen Luftdruckverteilung, die z.B. durch die Kraftwirkung eines brechenden Zweiges oder eines aufprallenden Gegenstandes entstehen, werden vom Menschen nicht nur sofort erkannt, sondern können auch nach einer - ansonsten nicht wahrnehmbar kurzen Zeit - zeitgenau nach ihrer Richtung beurteilt werden.
  • Die Erklärung dafür ist ein über viele Entwicklungsstufen des Gehörs und des Gehirns hinweg ausgebildeter Alarmmechanismus. Die Ursprünge menschlicher Hörleistungen sind Alarmmeldungen, die dazu dienen, eine Gefahr zu orten und in ihren Charakter zu bestimmen. In der Evolution der Primaten haben sich diejenigen Individuen durchgesetzt, die ihren "Freßfeind" so frühzeitig bemerkten und so rechtzeitig lokalisieren konnten, dass sie ihm erfolgreich entkamen.
  • Deshalb beherrscht das Gehirn des modernen Menschen als einen "Kunstgriff" zur Identifikation der Richtung des Initialgeräusches, dass der Pegel des primären Geräuschimpulses auf seinem Weg zum Gehirn von darauf spezialisierten Nervenzellen bis auf das dreißigfache verstärkt wird. Der Impuls hebt sich während dieser Zeit überdeutlich vom Normalpegel ab und kehrt wenige Millisekunden danach wieder in den Normalzustand zurück, in dem sich das Gehör vorrangig auf die Wahrnehmung periodischer Signale wie z.B. Tönen fokussiert ist.
  • Währendessen können im Gehirn die Signale des linken und des rechten Ohres miteinander verglichen und ausgewertet werden, so dass die Richtung des Geräuschimpulses lokalisiert werden kann. Diese Fähigkeit ist auch als binaurales Hören bekannt.
  • Bei allen Schallsignalen, die nicht frontal von vorne auf den menschlichen Kopf auftreffen, sondern aus anderen Richtungen kommen, entstehen sog. interaurale Laufzeitdifferenzen (ITD) und sog. interaurale Pegeldifferenzen (ILD).
  • Laufzeitdifferenzen können durch das menschliche Gehör bereits ab einer Größe von 10µs zur Richtungslokalisation ausgewertet werden, was einer Lokalisationsschärfe von etwa einem Grad entspricht. Bis zu einer Laufzeitdifferenz von 630µs erhöht sich die Lokalisation in etwa proportional zum Laufzeitunterschied. Eine Laufzeitdifferenz von 630µs entspricht einer Wegstreckendifferenz des Schalls von 21,5cm. Diese Größe wird auch "Hornbostel-Wertheimer Konstante" genannt und entspricht dem durchschnittlichen Abstand der beiden Ohren am menschlichen Kopf.
  • Bei relativ langsam ansteigenden Impulsen wertet das Gehirn vorrangig die Phasendifferenzen zwischen den Signalen der beiden Ohren aus und bestimmt daraus die interaurale Laufzeitdifferenz (ITD).
  • Bei sehr schnell ansteigenden Impulsen basiert die Lokalisation auf der Auswertung interauraler Pegeldifferenzen ILD, sowie auf der Auswertung interauraler Gruppenlaufzeit-Differenzen, also den Laufzeitdifferenzen der Signal-Hüllkurven.
  • In einem dazwischen liegenden Bereich mittlerer Steilheit überlappt sich der Wirkungsbereich der beteiligten Effekte. Mit zunehmender Steilheit des Impulses wird der Winkelbereich, in dem interaurale Phasendifferenzen ausgewertet werden können, immer kleiner. Dafür steigt die Größe der interauralen Pegeldifferenzen.
  • Zu diesen Abläufen schreibt auch F. Pfander "Das Knalltrauma", Springer 1975, Berlin und "Das Schalltrauma", BMdV Bonn 1994. In Anlehnung daran zeigt Fig. 1 den Verlauf des Luftdrucks in Abhängigkeit von der Zeit am Ohr eines Zuhörers, wenn in einem gewissen Abstand von diesem durch eine einmalige, rechteckförmige Krafteinwirkung eine dynamische Luftdruckänderung erzeugt wird, nachfolgend auch kurz als "dynamische Druckänderung" bezeichnet. Umgangssprachlich wird eine solche dynamische Druckänderung auch "Knall" genannt.
  • Sie hat ihren Ursprung im sog. Onset-Zeitpunkt t0, von dem aus der Luftdruck zunächst innerhalb des Zeitintervalls t0 - t1 bis zum höchsten Druckwert Pm ansteigt. Darauf folgt ein aperiodischer Druckausgleich, währenddessen der Luftdruck ab dem Zeitpunkt t2 unter den atmosphärischen Luftdruck Pa absinkt und erst zum Zeitpunkt tv wieder auf den atmosphärischen Luftdruck Pa angestiegen ist.
  • Der Verlauf dieser Druckänderung lässt sich in vier verschiedene charakteristische Zeitzonen einteilen, die durch unterschiedliche phänomenologische Wirkung beim Menschen gekennzeichnet sind. Während des ersten Druckänderungsbereiches im Zeitintervall t0 - t1 beschleunigt die im Onset-Zeitpunkt t0 einwirkende Kraft die relevanten Luftmassen.
  • Diese Beschleunigung ist auch als zeitliche Änderung der Geschwindigkeit zu bezeichnen. Je nach der Größe des maximalen Druckwertes Pm bewirken die mit variabler Geschwindigkeit bewegten Luftmoleküle im menschlichen Gehör den Eindruck eines "Knalls" oder eines "Knackens".
  • Zusätzlich zu der Information, dass überhaupt ein Geräusch zu hören ist, leitet das menschliche Gehör aus dem Laufzeitunterschied des Schalls zwischen den beiden Ohren die Information über den räumliche Ursprung des Schalls ab, indem es die Richtung ermittelt, aus der er kommt. Dazu ist es bereits innerhalb des Zeitintervalls t0 - t1 in der Lage, da - wie zuvor bereits erwähnt - der maximal erkennbare Laufzeitunterschied des Schalls bei der Auswertung über beide Ohren ca. 630 µs betragen kann, wenn ein durchschnittlicher Ohrabstand von 21 cm, eine Schallgeschwindigkeit von 343 m/s und ein genau seitlicher Einfall des Schalls in Richtung einer - gedachten - Verbindungslinie zwischen beiden Ohren vorausgesetzt werden kann.
  • Nach der Messung der Richtung des Schalls konzentriert sich das Gehirn in einer zweiten Zeitzone t1 - tv auf die Erkennung der Ursache des Schallimpulses. Typisch für diese Zeitzone ist der Ausgleich des maximal erreichten Luftdruckwertes Pm. Dieser Druckausgleich erzeugt ein weiteres Geräusch, das einem sog. "ausklingenden Grundton" ähnelt.
  • Der Begriff "Grundton" bezieht sich auf die Musik, die sich primär mit "Tönen" beschäftigt, also mit periodischen Schwingungen. Diese Schwingungen sind in der Praxis fast nie genau sinusförmig, lassen sich aber in eine Summe aus zahlreichen Sinusschwingungen zerlegen, was als Fourier-Analyse bezeichnet wird.
  • Die sich dabei ergebende Schwingung mit der tiefsten Frequenz - also mit der längsten Periodendauer - wird als "Grundton" bezeichnet. Alle anderen Schwingungen mit höheren Frequenzen sind sog. "Obertöne". Der "Grundton" bestimmt die wahrgenommene Tonhöhe, während die mitschwingenden "Obertöne" die Klangfarbe des Tones bestimmen. Sind die Obertöne eher gering ausgeprägt, spricht man von einem "grundtönigen" Klang.
  • In der zweiten Zeitzone t1 - tv hängt die Art des von den Hörorganen aufgenommenen Grundtons u. a. von der zeitlich transportierten Energie der Sprunganregung ab.
  • Versuche haben das überraschende Ergebnis erbracht, dass in der zweiten Zeitzone t1 - tv die Druckänderung in Form eines "ausklingenden Grundtons" in den Hörbereichen des Gehirns fast gar keine Tonhöhen-Empfindung bewirkt, obwohl eine Druckänderung von gleichem Verlauf in der vierten Zeitzone - etwa 30 ms nach t0 - sehr wohl als Ton empfunden wird. Deshalb werden die beiden Zeitzonen von t0 - tv auch als sog. "Verdeckungszeit" bezeichnet. Obwohl die Druckänderung in der zweiten Zeitzone t1 - tv periodisch und nicht sprungartig abläuft ist vor dem Erreichen des Zeitpunkts tv kein Tonhöhen-Empfinden möglich. Stattdessen ist das Gehirn vorrangig auf die Erkennung der Art des Geräusches fokussiert.
  • Erwachsene können in dieser zweiten Zeitzone bereits z.B. eine Trompete von einer Geige unterscheiden. Das ist insbesondere deshalb bemerkenswert, weil bei einem kontinuierlichen Ton diese beiden Arten von Musikinstrumenten sehr geringe Unterschiede in ihrem Klang aufweisen. In dieser Zeit hat im Gehirn der Vergleich mit erlernten Geräuschmustern den Vorrang.
  • Die Dauer der Verdeckungszeit beträgt je nach Anregung z. B. 10 ms bis 22 ms, was bei einer sinus- oder cosinusförmigen Onset-Anregung einer Anzahl von rund 9 bis 22 Perioden einer 1 kHz-Sinusschwingung entspricht. Vor Ablauf dieses Zeitintervalls t0 - tv sind nach genauen empirischen Erkenntnissen des Erfinders nur der Ort und die Art einer Schallquelle wahrnehmbar.
  • Die dritte Zeitzone ist der sog. Unschärfebereich um den Zeitpunkt tv herum. In dieser Zeitzone ist das Gehirn bei der Auswertung der Druckänderungen nicht mehr auf Vergleiche mit Geräuschmustern beschränkt, sondern es setzt die Tonhöhenempfindung ein. Der Unschärfebereich beginnt - je nach Individuum etwa 10ms nach dem Onset-Zeitpunkt t0 und endet spätestens etwa 30 ms nach t0.
  • Erst in der folgenden, vierten Zeitzone, also - etwa 30 ms nach t0 - analysiert das Gehirn die Druckänderungen vorrangig auf die darin enthaltenen Frequenzen und deren Anteil am Frequenzspektrum. Erst nach diesem Zeitpunkt setzt im Gehirn das ein, was bisher oft alleine unter "Hören" verstanden wurde.
  • Tatsächlich besteht das Hören jedoch aus der ersten Zeitzone, die mit dem Onset zum Zeitpunkt t0 beginnt und die etwa bis zum Zeitpunkt t1 fast ausschließlich für den angeborenen Gehirnprozess zum Ortserkennen der Schallquelle reserviert ist. Der zweite Teil des "Hörens" ist die zweite Zeitzone t1 - tv, die vor allem zum Vergleich mit erlernten Geräuschmustern genutzt wird. Erst in der dritten Zeitzone, dem Unschärfebereich von etwa 10ms bis etwa 30ms nach t0, werden diese Prozesse abgeschlossen und die vierte Zeitzone mit dem Erkennen von Tonhöhen und Klangfarben beginnt.
  • Von diesen vier Zeitzonen des Hörens werden die ersten drei auch heute noch oft verkannt. Eine Erklärung dafür ist, dass während dieser drei ersten Zeitzonen Tonhöhen und Klangfarben fast gar nicht wahrgenommen werden, bei der Auswertung im Gehirn also "verdeckt" sind. Die bis heute überwiegend betrachtete Frequenzanalyse von Tönen und Klängen setzt erst nach dem Ablauf der vom Geräusch ausgelösten Verdeckungszeit tv ein, die mit dem Onset-Zeitpunkt t0 beginnt.
  • Im Folgenden wird ein weiterer, wichtiger Effekt beim "Hören" beschrieben, der deutlicht macht, dass das menschliche Gehör über Fähigkeiten verfügt, die über das Wahrnehmen von gleichmäßigen periodischen Bewegungen weit hinausgehen. Es ist bekannt, dass das Gehör einem harmonischen Klang eine Tonhöhe zuordnet, deren Frequenz dem bereits erwähnten Grundton entspricht. Bei der Zerlegung eines Klanges in eine Vielzahl von sinusförmigen Schwingungen, auch Teiltöne genannt, ist der sog. Grundton der Teilton mit der niedrigsten Frequenz.
  • Dass beim Hören von allen Teiltönen, die der Klang enthält, gerade der Unterste zum Leitton gemacht wird, der dann durch seine Tonhöhe den ganzen Klang prägt, könnte ja dadurch zu erklären sein, dass bei den meisten Klängen der Grundton derjenige Teilton mit der größten Amplitude ist. Und in der Regel dominiert unter den Teiltönen der Grundton tatsächlich.
  • Deshalb hat man bis vor wenigen Jahrzehnten geglaubt, dass der Grundton aufgrund seiner spektralen Dominanz die Tonhöhe des ganzen Klanges bestimme. Das folgend beschriebene Experiment zeigt sehr eindrucksvoll, dass dem nicht so ist: Wenn ein elektronisch erzeugter, sägezahnförmiger Ton über einen Lautsprecher ausgestrahlt wird, empfindet das Gehör die Tonhöhe dieses harmonischen Klanges erwartungsgemäß mit der Frequenz des Grundtons. Und tatsächlich ist hier der Grundton auch mit der weitaus größten Amplitude im Klangspektrum enthalten.
  • Wenn im nächsten Schritt des Versuches der Grundton elektronisch herausgefiltert wird, entsteht ein Ton, dessen tiefster Teilton nunmehr die doppelte Frequenz des Grundtones und die größte Amplitude aufweist. Eigentlich wäre im ersten Ansatz zu erwarten, dass dieser verstümmelte Klang deshalb eine Oktave höher klingen würde als der ursprüngliche, sägezahnförmige Ton. Das ist aber nicht der Fall. Zwar verliert der Klang viel von seiner tiefen, vollen Klangfarbe, aber seine Klangtonhöhe ist eindeutig die gleiche geblieben, nämlich die des - nun nicht mehr im Spektrum enthaltenen - Grundtons.
  • Es ist also davon auszugehen, dass das Gehör die Klangtonhöhe aus der Gesamtheit der Teiltöne bestimmen kann. Im Hörzentrum des Gehirns ist die Erfahrung abgespeichert, dass ein harmonischer Klang stets aus Teiltönen besteht und dass in einem Klang meistens der Grundton dominiert, weshalb grundsätzlich dem Klang die Tonhöhe des Grundtons zugeordnet wird. Erscheint dem Gehör nun ein Klang, in dem der Grundton nicht dominiert oder gar fehlt, so rekonstruiert es dennoch den gewohnten Klang aus den vorliegenden Informationen, nämlich aus den übrigen Teiltönen. Das Gehör extrapoliert gewissermaßen den fehlenden Grundton, indem es aus der Systematik der vorhandenen Harmonischen auf das Vorhandensein eines Grundtons schließt.
  • Auch andere menschliche Sinnesorgane besitzen ähnliche Fähigkeiten, und zwar vorzugsweise für zeitlich stationäre Ereignisse. Z.B. hat das menschliche Gehirn ein gutes Gedächtnis für Bildeindrücke, weniger jedoch für deren zeitliche Folge. Dem entsprechend dient auch der "Spektralapparat Gehör" wie jeder andere Spektralapparat dazu, zeitliche Veränderungen als stationäre Ereignisse darzustellen. Es könnte also sein, dass der Aufwand der Spektralanalyse der Schallbewegungen im Ohr dazu dient, stationäre und damit lern- und speicherbare Informationen zu erhalten.
  • Wenn Schallereignisse auf das Trommelfell des menschlichen Ohres treffen, werden sie über Hammer, Amboss und Steigbügel mechanisch um das etwa 22-fache verstärkt als mechanische Schwingungen an die Hörschnecke weitergeleitet. Die Hörschnecke besteht - auseinander gerollt und vereinfacht beschrieben - aus drei parallel verlaufenden, flexiblen Schläuchen, auch Scala genannt. Der mittlere der drei Schläuche ist die Scala media, die an einer Seite an die Scala vestibuli angrenzt und an der gegenüberliegenden Seite an die Scala tympani. Am Ende der Hörschnecke sind die Scala vestibuli und die Scala tympani miteinander verbunden und beide mit der flüssigen Perilymphe befüllt.
  • Die Verbindungsfläche zwischen der Scala media in der Mitte und der Scala vestibuli ist die Reissnersche Membran und die Verbindungsfläche zwischen der Scala media und der Scala tympani ist die Basilarmembran. Die letztere ist am Anfang der Hörschnecke schmal und steif und am Ende breit und weich.
  • Ein eintreffender Schallimpuls wird vom Steigbügel über das ovale Fenster in die Scala vestibuli eingeleitet und pflanzt sich dort in der flüssigen Perilymphe als eine Wanderwelle fort. Deren Druck wird durch die Reissnersche Membran hindurch in die Scala media und von dort durch die Basilarmembran hindurch in die Scala tympani weitergeleitet.
  • Durch die genannte Charakteristik der Basilarmembran nimmt über die Länge der Hörschnecke hinweg die Geschwindigkeit der Wanderwelle ab und die Verformung der flexiblen Basilarmembran nimmt dafür zu. Es wandert also eine Verformung die Scala media entlang, die bei sehr steilen Anstiegen des Schallimpulses oder entsprechend bei sehr hohen Frequenzen schon im vorderen Teil der Hörschnecke ihre maximale Auslenkung hat und bei sehr langsamen Impulsanstiegen oder bei sehr niedrigen Frequenzen erst im hinteren Teil der Hörschnecke ihr Maximum erreicht.
  • Deshalb entspricht die Länge der ausgerollten Cochlea von 31,5 mm auch der unteren Grenzfrequenz der vom Menschen als Ton wahrnehmbaren Schwingung von 16 Hz.
  • Zur Übertragung der Information über diese Verformung dienen die Haarzellen, die an einem Ende mit der Tektorial- oder Deckmembran verbunden sind und am anderen Ende auf der Basilarmembran mit Nervenzellen in Verbindung stehen. Die Tektorialmembran ist ein schmaler Streifen, der sich parallel zur Basilarmembran durch die Scala media erstreckt und dort an einer Längskante verschwenkbar angewachsen ist.
  • Auch die schlauchförmige Scala media in der Mitte zwischen den beiden Schläuchen der Scala vestibuli und der Scala tympani ist mit einer Flüssigkeit befüllt, nämlich der Endolymphe. Die Bewegungen der Scala vestibuli und der Scala tympani werden deshalb auch an die Endolymphe in der Scala media weitergegeben.
  • Durch diese Bewegungen verschwenken sich ebenfalls die Tektorialmembran und die Basilarmembran gegeneinander und erregen so die eigentlichen Schallsensoren im Innenohr, nämlich die Haarzellen, die daraufhin Botenstoffe, die sie in kleinen Vesikeln vorrätig halten, als Information über Nervenzellen weiter an das Gehirn geben.
  • Dabei übertragen die Haarzellen die Information mit größter zeitlicher Präzision und zeigen die höchsten Übertragungsraten im gesamten Nervensystem. Erst seit 2005 ist klar, wie die Haarzellen solch hohe Raten bewerkstelligen können.
  • Claudius P.Griesinger vom Physiologischen institut II der AlbertLudwigs-Universität Freiburg hat zusammen mit Forschern des University College in London herausgefunden, dass z.B. die Nervenzellen der Großhirnrinde oder des Hippocampus ihre Botenstoffe über Vesikel ausschütten, die sie ständig recyceln und wieder füllen, sich hingegen die Haarzellen nur zu etwa zehn Prozent auf das langsame Recycling der Vesikel stützen . Die meisten ihrer Vesikel produzieren sie kontinuierlich in ihrem Zellkörper, so dass ständig ein großer Vorrat an Botenstoff-Paketen zur schnellen und akkuraten Signalweiterleitung zur Verfügung steht.
  • Bei herkömmlichen Nervenzellen können maximal nur etwa 20 Vesikel pro Sekunde freigesetzt werden, da das Recycling höhere Übertragungsraten nicht zulässt. Die Haarzellen im Ohr haben durch ihre Vorratsproduktion der Vesikel die maximal mögliche Freisetzung um Größenordnungen gesteigert. Dadurch können sie Information mit viel höheren Geschwindigkeitsraten übermitteln, was überhaupt erst eine präzise Übertragung der zeitlichen Feinstruktur von akustischen Informationen ermöglicht.
  • Die Haarzellen sind in zwei Gruppen aufgeteilt, nämlich die inneren Haarzellen (IHZ) und die äußeren Haarzellen (ÄHZ). Die inneren Haarzellen in der Scala media erkennen wegen ihrer mechanisch geradlinigen Aufreihung auf der Basilarmembran aus ansonsten gleichförmig-geradlinigen Schallbewegungen eine Krümmung in positiver und negativer Richtung als absolute physikalische Zeitpunkt-Ursache einer beschleunigten Bewegungsänderung im Schall-Ansatz aus der Ruhe oder seinem Schall-Fortsatz.
  • Möglich wird diese Vektor-Sensorik der Haarzellen dadurch, dass sie - im Gegensatz zu den äußeren Haarzellen - nicht mit der Tektorialmembran verbunden sind. Stattdessen können sie sich freischwimmend innerhalb der Endolymphflüssigkeit der Cochlea bewegen. Bisher werden sie in der Literatur ebenso wie die äußeren Haarzellen als angedockt an die Tektorialmembran dargestellt.
  • Als verfügbarer Analysierbereich stehen 31,5 mm Zilien-Weglänge zur Verfügung. Diese Weglänge wird von einem Kraftstoß-Impuls in etwa 5ms vom ovalen Fenster bis zum Heliokotrema durchlaufen. Die Dispersion mit ihrer Wurzel aus der Geschwindigkeit des Biegewellenmechanismus in der Cochlea erweitert das Verhältnis des Zeitbereiches von 10µs bis 10ms, also 1:1000, auf 1: 31,6ms Zeitdauer. Somit beträgt auch die zurückgelegte Weglänge 31,6mm. Auf dieser Wegstrecke stehen in gradliniger Reihenfolge etwa 3200 bipolare Haarzellen (IHZ), welche die Richtung und die Amplitude (max. 30 dB) über der Hörschwelle als sich ändernde Impulsformung im Schall als Information (lat.: In-Form-Machung) detektieren können. Ein Beispiel ist der sog. "Schlagton" einer Glocke. Der Grund ist, dass es eben nur ein Kraftstoß-Impuls, ohne Periodizität und von augenblicklicher Natur ist (Trendellenburg: Akustik, S. 59, Springer 1961).
  • Für das komplette Impuls-Intervall - als Gegensatz zum "Onset-Zeitpunkt zur Ortsbestimmung (Lokalisation) - steht der transversale Vektorkreis zur Verfügung. Sein Umfang entspricht 2 x 5 ms x 3,14 (π), was einen Laufzeit Erkennungsbereich von 31,4 ms ergibt. Damit stehen 31,4 ms für den schallgebenden Körper in seiner Abbildung als Quellen-Ort und -Gestalt dem Gehör zur Verfügung (siehe Fig.1). In dieser Zeitspanne wird im Erkennen das Einzelbild einer ikonischen Darstellung unterbewusst in der menschlichen Wahrnehmung als Hörereignis präsentiert, wenn der kleinste Punkt (3200:31,4 ms ≈ 10ms) für das zentrale Abbildungsvermögen von 10 µs Zeitdauer in seiner Hörschärfe von der Welt der Technik der menschlichen Hörwelt zur Verfügung gestellt werden kann. Hierzu dient die neue 3D Stereo-Spaltmikrofon-Technik.
    • ÄHZ-Empfinden:
  • Die an der Tektorialmembran angedockten Sinneszellen analysieren anhand ihrer Sinus-Halbwellenförmigen Anordnung, auch V- oder W-Formung genannt, die periodischen Schallschwingungen, die je nach ihrer Tonhöhe mit ihrem Amplitudenmaximum an einem bestimmten Ort auf der Basilarmembran abgebildet werden. In den drei Reihen der ÄHZ ergeben sich 30 dB im Amplituden-Maximum, was zusammen mit den IHZ bis zu 120 dB, der Schmerzgrenze, führt (Wolf D. Keidel, Erlangen, Physiologie des Gehörs, Thieme Verlag Stuttgart 1975). In der wissenschaftlichen Literatur wurden darüber viele Vorstellungen und Modelle seit Helmholtz veröffentlicht.
  • Diese bei der Schallübertragung wesentlichen Besonderheiten des menschlichen Hörens müssen auch von den als Schallwandler dienenden Lautsprechern berücksichtigt werden, denn nur dann hat ein hochwertiges Mikrofon, dessen elektrische Ausgangssignale alle Informationen geliefert hat, die in den Bewegungsimpulsen am Ort der Entstehung eines Geräusches oder eines Tones enthalten sind, überhaupt einen Nutzen.
  • Da die Güte einer verketteten Übertragung eines Geräusch- oder Klang-Impulses über Bewegungen der Luftmoleküle, über ein Mikrofon, das zwei elektrische Signale erzeugt und über zwei Lautsprecher, die aus diesen Signalen wieder Bewegungen von Luftmolekülen erzeugen bis hin zum menschlichen Gehör nur so hoch sein kann, wie das schwächste Glied in dieser Kette, muss im Folgenden auch auf die Übertragungsgüte der Lautsprecher gemäß dem aktuellen Stand der Technik eingegangen werden.
  • Denn wesentliche Erfordernisse bei der Übertragung von Schall werden beim Bau von den meisten Schallwandlern auch heute noch weitgehend missachtet. Für viele Hersteller gilt auch heute noch ein Lautsprecher als optimal, der einen guten gleichförmigen Amplituden-Frequenzgang im hörbaren Frequenzbereich hat und kontinuierliche, quasi statische Sinusschwingungen ausreichend gut reproduzieren kann.
  • Dagegen bleibt weitgehend unberücksichtigt, ob mit einem Lautsprecher auch ein dem dynamischen Druck-Zeitverlauf nach Fig.1 entsprechender Kurvenverlauf erreichbar ist, was zur vollständigen Übermittlung aller im Zeitintervall t0 - tv vorhandenen Informationen und damit für einen dem Signal dynamisch genau folgenden Verlauf erforderlich ist.
  • Wenn es also um die Aufzeichnung und die Wiedergabe von Geräuschen und Tönen geht, dann müssen von den elektromechanischen Wandlern, die als Mikrofon die Bewegungen von Luftmolekülen in elektrische Signale umsetzen, sowie von den - als Lautsprecher bezeichneten - anderen elektromechanischen Wandlern, die diese Signale wieder zurück in Schall, also wieder in Bewegungen von Luftmolekülen umwandeln - idealer Weise sämtliche zuvor beschriebenen Informationen übertragen werden.
  • Auf aktuellem Stand der Technik bestehen durchschnittliche Lautsprecher aus einem Hohlkegel, der an seinem Rand mit einem umlaufenden, federnden Streifen fest eingespannt ist und in seiner Mitte von einem elektrischen Antrieb vor und zurück bewegt wird.
  • Um zu prüfen, wieweit ein solcher herkömmlicher Lautsprecher auch einen Schallimpuls exakt wiedergeben kann, wird er einer Sprunganregung unterworfen, indem sein Antrieb mit einer Gleichspannung verbunden wird, wodurch eine dynamische Druckänderung bewirkt wird.
  • Wenn die Wiedergabetreue des Lautsprechers den zuvor genannten Anforderungen entsprechen würde, würde er bei einer dynamischen, sprungartigen Aktivierung seines Antriebes eine Kurve für die Druckänderung in Abhängigkeit von der Zeit erzeugen, die zur Figur 1 identisch wäre.
  • Auf dem für Lautsprecher derzeit am weitesten verbreiteten Stand der Technik ergeben sich jedoch ganz andere Kurvenverläufe, die in Fig. 2 beispielhaft dargestellt sind. Fig. 2 zeigt oben links das rechteckförmige elektrische Eingangssignal für den Antrieb des Lautsprechers und daneben die theoretisch ideale Druckänderung an einem Ort vor dem Schallerzeuger. In den unteren beiden Reihen sind die tatsächlich erhaltenen und mit einem Messmikrofon gemessenen Kurvenverläufe dargestellt, wenn sechs willkürlich herausgegriffene, herkömmliche Studio-Abhör-Lautsprecher als Quellen zur Erzeugung der dynamischen Druckänderung der Luft verwendet werden.
  • Es zeigt sich, dass die Kurvenverläufe innerhalb der gemäß Fig.1 ersten Zeitzone t0 - t1 und der zweiten Zeitzone t1 - tv in erheblicher Weise verfälscht werden. Insbesondere innerhalb der zweiten Zeitzone t1 - tv wird der durch die Sprunganregung eigentlich zu reproduzierende, theoretisch ideale "ausklingende Grundton" durch zahlreiche, vom jeweiligen Lautsprecher erzeugte ganz kurze Geräusche überlagert, die etwa 0,1 Millisekunden bis zu 20 Millisekunden andauern und vom der Lautsprechermembrane zu Beginn jeder Klangerzeugung entwickelt werden.
  • Die Lautsprechermembrane ist eine relativ träge Masse, die durch den elektrischen Antrieb in eine Richtung gestoßen wird, wobei sie sich dem Auslenken die Federkraft der Membrane und ihrer Aufhängung solange entgegensetzt, bis die Masse zum Stillstand kommt. Dann beschleunigt die Federwirkung die Membrane wieder in die andere Richtung und schwingt dabei über ihre ursprüngliche Ruhelage hinaus. Mit diesem Einschwingvorgang pendelt sich der Lautsprecher auf Schwingungen mit einer bestimmten Frequenz ein.
  • Konventionelle Lautsprecher reproduzieren nämlich nicht nur sehr frequenzgetreu Musik, sie produzieren auch ständig eine Unmenge ganz kurzer Geräusche, die etwa 0,1 Millisekunden bis zu 20 Millisekunden andauern.
  • Die Unterteilung in Hochton-, Mittelton- und Tieftonlautsprecher bedingen auch noch unterschiedliche Eigenschwingungen bei den üblichen Masse/Feder-Systeme herkömmlicher Wandler. In einer konventionellen Dreiwege-Box sind in Folge die drei ganz verschiedenen Einschwinggeräusche von Hochton-, Mittelton- und Tieftonlautsprecher zu hören.
  • Diese Verfälschungen sind eine Ursache dafür, dass bei sprungförmiger Anregung konventioneller Lautsprecher die Kurve des Schalldruckes über der Zeit von der idealen Kurve einer sehr getreuen Musik und Geräuschwiedergabe deutlich abweicht.
  • Dieser Effekt wird derzeit auch unter dem Begriff der "Impulstreue" diskutiert. Als Impulstreue wird das Vermögen eines Lautsprechers bezeichnet, einem impulsförmigen Signal möglichst ganz ohne Einschwing- bzw. Ausschwingvorgänge zu folgen. Stattdessen produzieren die meisten Lautsprecher auf aktuellem Stand der Technik selber Schwingungen mit tiefen, mittleren und hohen Frequenzen, die unter anderem durch Partialschwingungen auf der Membran, eine insgesamt hart aufgehängte Membran und Hohlraumresonanzen in der Lautsprecherbox und im Hörraum hervorgerufen werden.
  • Wenn eine konventionelle Lautsprechermembran einen Impuls abstrahlen soll, so löst das Bewegungen der Lautsprechermembran aus, die wellenförmig nach außen laufen. Dadurch wird noch Schall abgestrahlt, obwohl der Impuls längst zu Ende ist. Im Regelfall ist der Rand der Membran nicht mit dem korrekten Wellenwiderstand abgeschlossen, so dass die Welle reflektiert wird und den Impuls weiter verlängert.
  • Dadurch wird eine einwandfreie Reproduktion der Schallsignale und der dazu erforderlichen Druckänderungen unmöglich, denn in der ersten Zeitzone t0 - t1 und in der zweiten Zeitzone t1 - tv eines Schallimpulses, in denen das menschliche Gehör und das Hörzentrum des Gehirns eigentlich den Ort und die Art des Schallimpulses ermitteln, ist der Schallimpuls überhaupt nicht hörbar, sondern es erklingen nur die Betriebsgeräusche des einschwingenden Lautsprechers. Dadurch wird die Aufmerksamkeit des Zuhörers auf die Lautsprecher, ihre Größe und ihren Aufstellungsort gelenkt.
  • Nach vielen Jahren von Forschungs- und Entwicklungsarbeit von J. W. Manger ist es jedoch jetzt gelungen, einen elektroakustischen Wandler zu schaffen, der bei einer Sprunganregung im wesentlichen einen der Fig. 1 entsprechenden Kurvenverlauf bewirkt. Ein Ergebnis dieser Forschungen und Entwicklungen ist der unter der Bezeichnung MSW bekannte Biegewellenwandler, wie u.a. in DE PS 18 15 694 , DE 22 36 374 C3 , DE25 00 397 A1 und DE 27 25 346 C3 beschrieben.
  • Das Wirkungsprinzip dieses Biegewellenwandlers weicht von üblicher Wandlern mit Konusmembranen dramatisch ab. Hier dient zur Schallabstrahlung eine biegeweiche, zähelastische Membran, die in Richtung ihrer Anregung nahezu keine Rückstellelastizität besitzt. Sie erzeugt Biege- bzw. Wanderwellen, die vom Zentrum zum Rand wandern und dort auslaufen, ohne dass Eigenschwingungen und/oder stehende Wellen erzeugt werden. Außerdem können extrem kurze Anstiegszeiten im Bereich bis zu 14 Mikrosekunden entsprechend der ersten Zeitzone t0-t1 erzielt werden. Mit derartigen Biegewellenwandlern ist es erstmals möglich, die Kurvenverläufe nach Fig. 1 nahezu unverfälscht zu reproduzieren.
  • Dies zeigt Fig. 3 in einer zu Fig. 2 analogen Darstellung. Die erhaltene Luftdruckänderung am Messort kommt dem im mittleren Bereich gezeigten Ideal vergleichsweise nahe. Insbesondere fehlen bei Anwendung eines Biegewellenwandlers störende, durch den Lautsprecher bedingte Druckänderungen nahezu vollständig, wodurch der Lautsprecher als solcher von den Hörern nicht mehr erkannt und das Originalsignal nahezu unverfälscht übertragen und empfunden werden kann.
  • Die beschriebenen Unterschiede zwischen den beiden Wandlertypen sind besonders bei stereophonen Reproduktionen mit zwei Lautsprechern sehr deutlich wahrnehmbar. Bei Anwendung herkömmlicher Lautsprecher ist eine Stereo-Übertragung trotz der genannten grundsätzlichen Mängel nur dann einigermaßen störungsfrei, solange sich der Zuhörer genau in der Achse zwischen den beiden Lautsprechern, d. h. in der sog, Stereomitte befindet. Entfernt sich der Zuhörer auch nur geringfügig von dieser Achse, werden die Störungen sofort extrem erkennbar, da dann der näher liegende Lautsprecher mit seinen Fehlern unterschwellig und intuitiv erkannt wird. Als "intuitiv" werden Informationsverarbeitungen im Gehirn bezeichnet, von denen nur das Ergebnis, nicht aber der Verarbeitungsvorgang wahrgenommen werden.
  • Biegewellenwandler nach dem Prinzip von J.W. Manger sind jedoch im wesentlichen frei von Eigenschwingungen, so dass sich bei einem Entfernen eines Zuhörers aus der Stereomitte auch ein anspruchsvolles Hörempfinden nicht verändert, da der dann näher gelegene Lautsprecher mangels wesentlicher Eigenschwingungen nicht als störend empfunden wird. Dadurch können gleichzeitig mehrere Personen in den Genuss desselben Darstellungsinhalts kommen. Und das insbesondere auch beim Ansatz der Schallschwingungen, dem für die geometrische Ortung im Gehirn des Hörenden entscheidend wichtigen Teil eines jeden Geräusches.
  • Mit dem MSW-Wandler kommt der Musikhörer der Illusion nahe, vor dem Instrument selbst zu sitzen, denn die Reproduktion ist praktisch nicht mehr hörbar, da der MSW-Wandler keine Einschwinggeräusche mehr abstrahlt. Anstelle von Lautsprechereigengeräuschen nimmt das Gehör nur noch die Einschwingvorgänge der Musikinstrumente wahr, die das Instrument im Konzertraum lokalisieren und sein Charakterbild wiedergeben.
  • Das entscheidende Merkmal ist die dünne und biegeweiche Plattenmembrane, die aus drei Schichten besteht. Sie speichert keine Kräfte, die durch Antrieb oder Rückfederung entstehen. Stattdessen heben die gegeneinander wirkenden Masse- und Federkräfte ihre Speicheranteile innerhalb der Membrane selbst auf. Sie werden mit dem Schall als Wärme abgeführt.
  • Die Membrane schwingt in einer Anstiegszeit von nur 0,014 Millisekunden auf die Signalfrequenz und hält diesen Ton bis zur musikalisch vorgegebenen Signaländerung. Mit einer einzigen Membrane wird der ganze Übertragungsbereich von 80 Hertz bis 33 Kilohertz abgedeckt. Damit können die bei konventionellen Mehrfach-Lautsprechern notwendigen Frequenzweichen und phasenungleichen Überlappungen im klangbildbestimmenden Frequenzbereich vermieden werden.
  • Stattdessen entsteht hier der Klang auf einer einzigen, relativ sehr kleinen Fläche, die im Vergleich zu bisherigen Systemen dem Ideal der Klangerzeugung in einem Punkt schon sehr nahe gekommen ist. Alle Wellen, die ihn definieren, bilden vor der Membrane eine komplexe Schalldruckwellenform, da hohe und niedrige Frequenzen gleichzeitig an unterschiedlichen Stellen der einen Membrane entstehen. Im Vergleich zu konventionellen Lautsprechern wird das Eingangssignal nahezu perfekt abgebildet, so dass an das menschliche Ohr das ursprüngliche und vollständige Schalldruckbild gelangt, das einmal das Mikrofon zur Reaktion gebracht hat.
  • Dennoch hat sich überraschend gezeigt, dass sehr empfindsame Zuhörer auch bei Anwendung von Biegewellenwandlern nach dem soeben beschriebenen Prinzip immer dann, wenn sie sich außerhalb der Stereomitte befinden, nicht klar definierbare Änderungen der Schallwiedergabe erkennen können. Messungen haben ergeben, dass dies direkt darauf zurückzuführen ist, dass der Onset-Zeitpunkt t0 umso stärker verschoben und die Anstiegsflanke von Pa auf Pm-siehe Figur 2 - umso stärker verformt wird, je weiter sich der Zuhörer aus der Mittelachse des Biegewellenwandlers entfernt.
  • Dies ist in Figur 4 gezeigt, bei der das gleiche Messverfahren wie in Figur 3 angewandt wurde. Der Lautsprecher wurde also mit einer rechteckförmigen Spannung erregt und seine Sprungantwort mit einem Messmikrofon erfasst. Bei der Anordnung des Messmikrofons in der Mittelachse ergibt sich für den Verlauf des Luftdruckes am Biegenwellenwandler über die Zeit hinweg die Kurve A0-B0. Wenn das Messmikrofon dann in Schritten von jeweils etwa 15° aus der Mittelachse verschoben wird, werden vom Messmikrofon die Druckverläufe A1-B1 bis A4-B4 gemessen. Mit zunehmender Entfernung des Messmikrofons von der Mittelachse bis zum Extremfall einer Entfernung von 60° wird der Verlauf des Druckanstieges am Biegewellenwandler immer mehr zu einer S-Kurve. Der Anstieg ist also nicht linear.
  • In Figur 4 ist das Messergebnis auf der Zeitachse mit einem Maßstab von 50 Mikrosekunden pro Rastereinheit wiedergegeben. Figur 4 zeigt, dass der nichtlineare Verlauf des Druckanstieges der Kurve A4-B4 sich über den Zeitraum von etwa einer Rasterlänge, also von etwa 50 Mikrosekunden erstreckt. Im Vergleich mit der Figur 1 wird deutlich, dass die "erste Zeitzone t0-t1" des menschlichen Hörens mit der Schallquellenortung nach einer derart langen Zeit bereits nahezu verstrichen ist. Deshalb ist auch mit einem Biegenwellenwandler nach dem Prinzip von J. W. Manger eine einwandfreie Wiedergabe der Schallquellenortung ohne ein weiteres Hilfsmittel nur dann möglich, wenn sich der Zuhörer in der Mittelachse des Biegewellenwandlers aufhält.
  • In Figur 5 ist das Ergebnis einer gleichen Messung wie in Figur 4 wiedergegeben, hier jedoch mit einem akustischem Umlenkelement, das eine Hälfte des Biegewellenwandlers abdeckt. Auch bei dieser Messung wird das Messmikrofon wieder zuerst in der Mittelachse des Biegewellenwandlers angeordnet und dann jeweils in Schritten von etwa 15° aus dieser Mittelachse heraus entfernt. Figur 5 zeigt als Messergebnis ganz deutlich, dass der Kurvenanstieg unabhängig vom jeweiligen Winkel absolut linear ist.
  • Dadurch ist sicher gestellt, dass Änderungen des Druckwertes unverzerrt wiedergegeben werden, dass also in dieser Konfiguration eines Biegenwellenwandlers mit einem hälftig davor gesetzten, akustischen Umlenkelement auch Schallbewegungen aus der ersten Zeitzone des menschlichen Hörens mit der Schallquellenortung korrekt möglich ist. In dieser Konfiguration wird das angestrebte Ideal einer nicht mehr wahrnehmbar verfälschten Wiedergabe der Schallbewegung bei der zeitgenauen Umformung von Schallbewegungen durch mechanisch bewegte Luftmoleküle in Draht gebundene elektrische Signale und wieder zurück in Schallbewegungen durch einen als Lautsprecher bezeichneten Wandler erreicht.
  • Die bis hier vorgelegte, vergleichsweise sehr ausführliche Beschreibung der physikalischen Grundlagen und des bisher erreichten Standes der Technik hat gezeigt, dass konventionelle Lautsprechersysteme und die bisher bekannten Mikrofone nur Klänge und Töne übertragen können. Das Ziel dieser Erfindung ist jedoch ein dreidimensionales Hören, bei dem auch die vektoriellen Informationen jedes Schallsignals übertragen werden, so dass der Zuhörer zusätzlich zu den Klängen und Tönen auch deren Ort und deren Art identifizieren kann.
  • Dieses Ziel wurde mit den MSW-Biegewellenwandlern für die Umwandlung elektrischer Signale in die Bewegungen von Luftmolekülen fast vollständig erreicht. Erst mit der Verfügbarkeit solcher Schallwandler können die Grenzen der auf bisherigem Stand der Technik bekannten Mikrofone aufgezeigt werden.
  • Weithin und in zahlreichen Ausführungsvarianten bekannt sind Mikrofone, die als elektroakustische Wandler die Bewegungsimpulse der sie umgebenden Luft, die durch Geräusche und Töne entstanden sind, in entsprechende elektrische Spannungsimpulse wandeln.
  • Es ist unstrittig, dass von allen bekannten Varianten das Prinzip des sog. Kondensatormikrofons die geringsten Verfälschungen bei der Umwandlung des Schalldruckbildes in eine elektrische Spannung bewirkt. Auf aktuellem Stand der Technik besteht ein Kondensatormikrofon aus einer sehr dünnen, flexiblen und elektrisch leitfähigen Membran, die elektrisch isoliert und in sehr geringem Abstand vor einer Metallplatte angebracht ist.
  • Die Membranen haben meist nur eine Materialstärke von wenigen Mikrometern, so dass sie auch durch sehr schwache Bewegungsimpulse der Umgebungsluft noch in Bewegung versetzt werden. Zwischen der Membran und der Metallplatte befindet sich eine Luftschicht, die bei jeder Bewegung der Membran komprimiert wird. Damit sich diese Luftschicht nicht verzerrend auf die Bewegung der Membran auswirkt, ist die Metallplatte zumeist mit zahlreichen Bohrungen versehen, durch welche die unter Druck gesetzte Luft strömt und in einen - ebenfalls luftgefüllten Hohlraum hinter der Metallplatte fließt, der im Vergleich zum Luftraum zwischen Membran und Metallplatte sehr groß ist.
  • Eine derartige Anordnung wirkt elektrisch wie ein Plattenkondensator mit einem Luft-Dielektrikum. In der Praxis sind Kapazitäten von etwa 20 bis 100 pF typisch. Die Bewegungsimpulse der umgebenden Luft bewegen auch die Membran, wodurch sich der Abstand zwischen der Membran und der Metallpatte und damit auch die Kapazität des Kondensators verändern.
  • Um diese Schwankungen der Kapazität in ein elektrisches Spannungssignal umzuwandeln, wird der Kondensator über einen hochohmigen Widerstand mit einer Gleichspannungsquelle wie z.B. einer Batterie verbunden, die ihn auflädt. Wenn ein Bewegungsimpuls der Luft auf die Membran übertragen wird und sie dadurch bewegt, so verändert sich die Kapazität des aufgeladenen Kondensators und es fließt aus der Gleichspannungsquelle ein Stromimpuls über die Kapazität und den Widerstand. Ein dazu proportionaler Spannungsimpuls kann am Widerstand abgegriffen werden und einem Mikrofonverstärker zugeführt werden. Dieser Mikrofonverstärker dient als Impedanzwandler und passt direkt im Mikrofon dessen Impedanz an das Kabel zur Signalübertragung an. Die Signalspannung wird dabei nicht verstärkt.
  • Der Widerstandswert muss so hoch gewählt werden, dass bei einer Kapazitätsänderung im Rhythmus der unteren Grenzfrequenz (zum Beispiel 20 Hz) die Ladung noch ausreichend konstant ist, sodass sich die Spannung am Kondensator mit den Schallschwingungen ändert. Es ergeben sich je nach Kapselkapazität Widerstandswerte von bis zu etwa 1 GΩ.
  • Ein derartiges Kondensatormikrofon erläutert z.B. die Offenlegungsschrift DE 10 2008 013 395 A1 . Darin wird beschrieben, wie die Metaliplatte gegenüber der Membran aus einem Material hergestellt werden kann, das ursprünglich nur als Platine für elektronische Schaltungen gedacht war. Auf einem mechanisch sehr stabilen Trägermaterial, z.B. aus Keramik, ist eine dünne Kupferschicht aufgebracht, die mit geringem Aufwand in die für ein Kondensatormikrofon erforderliche Form gebracht werden kann.
  • Ein einziges dieser Mikrofone kann jedoch keinesfalls elektrische Signale für das aufgabengemäße, dreidimensionale Hören liefern. Es ist weithin bekannt, dass für jedes der beiden menschlichen Ohren ein eigenes Signal benötigt wird. Erst aus dem Vergleich der Signale von allen geformten Luftbewegungen in beiden Gehörorganen kann das menschliche Gehirn alle Vektor-Informationen im Schall erkennen.
  • Deshalb werden zwei Mikrofone benötigt, die insgesamt zwei elektrische Signale erzeugen. Jedes elektrische Signal wird jeweils einem eigenen Schallwandler zugeführt, insgesamt werden also zwei Schallwandler angesteuert. Derartige Mikrofone sind auch als Stereomikrofone bekannt.
  • Ein Stereomikrofon stellt die DE 91 01 371 U vor. Es nennt insgesamt drei Mikrofone, die nebeneinander angeordnet sind und in verschiedene Winkel zueinander gebracht werden können. Wenn die Mikrofone in einem Winkel zueinander ausgerichtet sind, treffen die Schallimpulse nur auf ein Mikrofon frontal auf und auf die anderen seitlich. Da jedes Mikrofon eine Richtcharakteristik hat, unterscheiden sich die beiden Signale deutlich. Dadurch entsteht der Nachteil einer gegenseitigen Verzerrung.
  • Wenn alle Mikrofone in die gleiche Richtung weisen, sind die Unterschiede in der Form der empfangenen Signale sehr gering. Ein ganz gravierender Nachteil entsteht jedoch bei Schallwellen, die nicht genau orthogonal auf die beiden Mikrofone auftreffen, sondern schräg zu ihrer Längsachse. Die Mikrofone haben einen Abstand zueinander. Selbst wenn sich die Mikrofone mechanisch berühren, so ist der Abstand im Verhältnis zu derjenigen Laufzeit des Schalls immer noch sehr groß, innerhalb derer das menschliche Gehör ein Schallsignal auf seinen Entstehungsort hin auswertet, also die Laufzeitunterschiede zwischen dem am linken Ohr und dem am rechten Ohr gehörten Schallsignal bewertet.
  • Erst durch die Erfassung der Laufzeitunterschiede von ansonsten links und rechts gleichen Signalen kann das menschliche Gehirn die Richtung des empfangenen Signals ableiten - wie zuvor in dieser Anmeldung als sog. "erste Zeitzone der Wahrnehmung eines akustischen Impulses" ausführlich erläutert.
  • Deshalb bewirkt der Laufzeitunterschied nach dem Prinzip von DE 91 01 371 wegen des Abstandes der Mikrofone zueinander - eine für die Erfassung der Richtung des Schallsignals dramatische Verfälschung.
  • In der in dieser Anmeldeschrift als "zweite Zeitzone der Wahrnehmung eines akustischen Impulses" beschriebenen Phase, in der die Art des Schallsignals bewertet wird, wertet das menschliche Gehör auch Pegelunterschiede zwischen dem linken und dem rechten Ohr aus.
  • Diese Phase des menschlichen "Hörens" wird bei der Anordnung von zwei Mikrofonen nach dem Prinzip der DE 91 01 371 dramatisch verfälscht, wenn sich die beiden Mikrofone nicht exakt gleichen und wenn sie nicht exakt in die gleiche Richtung ausgerichtet sind. Wenn überhaupt, dann ist auch schon eine Annäherung an diese Forderung sehr aufwendig und das Ergebnis trotzdem diesbezüglich nie perfekt.
  • Um dieses Problem wenigstens etwas zu entschärfen sind auf aktuellem Stand der Technik sog. Koinzidenzmikrofone bekannt, bei dem zwei Richtmikrofonkapseln sehr dicht beieinander in einem gemeinsamen Mikrofongehäuse angeordnet sind. Die beiden Mikrofonkapseln sind in ihrer Bezugsachse im Achsenwinkel gegeneinander verdrehbar und haben meistens veränderbare Richtcharakteristiken.
  • Dabei wird als prinzipieller Nachteil hingenommen, dass schon im tiefen und im mittleren Frequenzbereich relative Phasendifferenzen (Phasenunterschiede) infolge von Wegdifferenzen bei schrägem Schalleinfall zwischen beiden Mikrofonkanälen auftreten. Bei hohen Frequenzen oder bei einem sehr steilen Anstieg des Schallimpulses ist die Phasendifferenz relativ noch sehr viel größer.
  • Deshalb sind derartige Koinzidenzmikrofone nur für reine, monokompatible Intensitätsstereofonie verwendbar, die bei der elektrischen Addition der beiden Stereosignale zu einem Monosignal Auslöschungen oder Beeinträchtigungen von Frequenzteilen vermeidet.
  • Aus der FR2 688 644A1 sind bereits Mikrofone bekannt, die Membrane als Elektroden aufweisen und denen eine Gegenelektrode zugeordnet ist, die in eine linke als auch eine rechte Metallplatte aufgeteilt ist, die voneinander isoliert sind und die jeweils einen eigenen elektrischen Anschluss aufweisen. Die Verarbeitung der Signale macht es unmöglich, dieses Mikrofon als Stereomikrofon einzusetzen.
  • Auf diesem Hintergrund hat sich die Erfindung die Aufgabe gestellt, ein Stereomikrofon zu entwickeln, dass Bewegungsimpulse und Schallwellen der umgebenden Luft in zwei elektrische Spannungen umwandelt, mit denen - nach angemessener Verstärkung - ein hochwertiger Lautsprecher - wie z.B. der Biegewellenwandler nach dem Prinzip von J.W. Manger - angesteuert werden kann und daraufhin der Umgebungsluft Bewegungsimpulse verleiht, die nicht nur als Musik und Töne empfundene Schallwellen erzeugen, sondern auch Luftbewegungen generieren, mit Hilfe derer das menschliche Gehör die Quelle der Bewegungsimpulse im dreidimensionalen Raum lokalisieren kann und die Art des Schallsignals schon zu Beginn des Einschwingvorganges beurteilen kann.
  • Das Ziel der Erfindung ist also ein Stereomikrofon, das Bewegungsimpulse seiner Umgebungsluft in elektrische Spannungen umsetzt, mit denen wiederum ein anderer, elektrischer Wandler so angesteuert wird, dass die von ihm erzeugten Luftbewegungen identisch zu denjenigen Luftbewegungen sind, die das erfindungsgemäße Stereospaltmikrofon bei der Aufnahme aktiviert haben. Es ist also ein wesentlicher Teil der Aufgabe der Erfindung, ein dreidimensionales räumliches Hören zu ermöglichen.
  • Als Lösung lehrt die Erfindung, dass die Metallplatte durch einen Spalt in eine linke Metallplatte als linke Gegenelektrode und eine rechte Metallplatte als rechte Gegenelektrode aufgeteilt ist, die elektrisch voneinander isoliert sind und je einen eigenen elektrischen Anschluss aufweisen.
  • Damit spalten sich die mechanischen Formbewegungen mittels Isomikrospalt in zwei elektrische Formbewegungen und damit in das gewünschte formgenaue und interferenzfreie 3D-Stereoformat.
  • Mit einem solchen, erfindungsgemäßen Mikrofon ist es möglich, diejenigen elektrischen Signale bereit zu stellen, mit denen zwei hochwertige Lautsprecher nicht nur Musik und Töne korrekt wiedergeben können, sondern dem menschlichen Ohr zusätzlich diejenigen Informationen bereit stellen, die es zu einer Lokalisierung der Quelle des Geräusches oder des Tones benötigt.
  • Das erfindungsgemäße 3D-Stereospaltmikrofon schließt so die Kette in der vollständigen Übertragung, Speicherung und anschließenden Wiedergabe von Geräuschen und Tönen. Wie eingangs ausführlich erläutert, nimmt das erfindungsgemäße Mikrofon auch die extrem schnellen Formänderungen auf, die das menschliche Gehör zur Erfassung des vektoriellen Charakters von Geräuschen und Tönen benötigt.
  • Das Ergebnis ist nicht nur eine Information an den Hörer z.B. eines Orchesters, auf welcher Seite des Podiums die Pauken aufgestellt worden sind und in welchem Punkt der Bühne die Blechbläser gestanden haben, sondern auch über die Details der Schallinformationen zu Beginn eines Tones und beim Wechsel von einem Ton zu einem anderen. Nur zu Beginn eines Schallimpulses - nämlich in den ersten etwa 60 Mikrosekunden - wertet das Hörzentrum des Gehirns die empfangenen Informationen in Bezug auf die räumliche Ausrichtung der Schallbewegung aus. Nur in dieser Zeitspanne kann das Gehör den vektoriellen Charakter eines Schallbildes erfassen. Das aufgabengemäße dreidimensionale Hören wird erst mit einem erfindungsgemäßen Mikrofon möglich.
  • Wesentlich ist, dass ein erfindungsgemäßes Mikrofon diese aperiodischen, räumlichen Informationen aufnimmt und elektrisch wiedergibt, die auch am Beginn einer jeden neuen periodischen Schwingung stehen, also laufend und immer wieder ein wesentlicher Teil des Klangbildes sind. Durch die Erfassung dieses "dreidimensionalen Teils" ermöglicht ein erfindungsgemäßes Mikrofon die vollständige Aufnahme und Umwandlung eines kompletten Klangbildes.
  • Diese laufenden kleinen und sehr schnellen Änderungen eines jeden Tones - bestehend aus seinem Grundton und seinen Oberwellen - bestimmen, was oft auch als "Klangfarbe" oder "Charakter" bezeichnet wird. Nur aufgrund dieser Merkmale ist es möglich, den Klang z.B. einer Stradivari von einer anderen gewöhnlichen Geige zu unterscheiden.
  • Diese Eigenschaften des erfindungsgemäßen 3D-Spaltmikrofons beruhen auf dem wesentlichen Merkmal der Erfindung, nämlich dass die Metallplatte eines an sich bekannten Kondensatormikrofons durch einen Spalt in eine linke Metallplatte und eine rechte Metallplatte aufgeteilt ist. Beide Metallplatten sind elektrisch von einander isoliert, damit von jeder Metallplatte ein eigenes, elektrisches Signal zur Ansteuerung des jeweiligen Lautsprechers für die linke und für die rechte Seite abgegriffen werden kann. Beide Metallplatten haben jedoch die eine einzige Membran gemeinsam. Dadurch entstehen zwei Mikrofone, die einen bisher nicht für möglich gehaltenen, winzigen Abstand zueinander aufweisen und deren sonstige Unterschiede zueinander im Vergleich zum bisherigen Stand der Technik dramatisch reduziert sind.
  • Der ganz entscheidende und wesentliche Effekt der Erfindung ist, dass durch den Spalt die beiden Metallplatten und damit die beiden, direkt nebeneinander angeordneten Mikrofone auch geringste Unterschiede in der Laufzeit des Schalls bereits unterschieden und erfasst werden können. Genauso wie beim menschlichen Ohr empfangen die beiden Metallplatten genau frontal auf sie auftreffende Bewegungsimpulse ohne jeden Laufzeitunterschied - also exakt gleichzeitig.
  • Wegen der in der Praxis vernachlässigbaren Unterschiede zwischen den beiden Mikrofonen sind bei genau senkrecht auftreffenden Schallimpulsen die von einem erfindungsgemäßen 3D Spaltmikrofone erzeugten beiden Signale genau identisch. Bei schräg auftreffenden Schallimpulsen sind die Unterschiede in der Laufzeit und im Pegel exakt erfassbar.
  • Die Informationen über Herkunftsort und Art sind in den ersten 30 Millisekunden eines jeden Schallsignals enthalten, unabhängig davon, ob es ein Geräusch oder ein sich ändernder Ton ist. Im Unterscheid zum bisher bekannten Stand der Technik sind diese Informationen auch in den ersten 30 Millisekunden der beiden, vom erfindungsgemäßen 3D-Stereo-Mikrofon abgegebenen, elektrischen Signale enthalten. Je kleiner der Spalt zwischen den beiden Metallplatten ist, desto geringer sind auch die Laufzeitunterschiede für Schallwellen, die nicht genau orthogonal auf die Oberfläche der beiden Metallplatten der linken und der rechten Membranhälfte auftreffen.
  • Deshalb ist es von Vorteil, dass die Breite des Spaltes so klein wie nur möglich ist. Damit jedoch über diesen kleinen Spalt hinweg keine elektrischen Überschläge zwischen den beiden Metallplatten erfolgen, schlägt die Erfindung als eine Ausführungsvariante vor, dass der Spalt zwischen den beiden Metallplatten durch einen elektrischen Isolator vollständig ausgefüllt wird. Dabei sollte der Werkstoff dieses Isolators eine möglichst hohe Spannungsfestigkeit haben, aber die Kapazität zwischen den beiden Kanten der Metallplatten möglichst nicht vergrößern, d.h. also keine hohe Dielektrizitätskonstante aufweisen, die die insgesamt wirksame, parasitäre Kapazität erhöht.
  • In der Praxis beträgt die Kapazität jeder einzelnen Hälfte der Mikrofonkapsel etwa 25 - 30 Picofarad. Dem gegenüber hat die parasitäre Kapazität zwischen den beiden Stirnkanten eine Größenordnung von 3-4 Picofarad, also etwa ein Zehntel der Kapazität der eigentlichen beiden Mikrofonkapseln.
  • Dieser Wert verursacht ein derart geringes "Übersprechen" zwischen den beiden Kanälen des erfindungsgemäßen 3D-Stereomikrofons, dass es in der Praxis keine Rolle spielt. Deshalb kann mit dem erfindungsgemäßen Mikrofon erstmals erreicht werden, dass das elektrische Signal nicht nur die Grundinformationen über die Bewegungsimpulse der umgebenden Luft enthält, sondern auch all diejenigen Informationen beim Einschwingen eines Tones, die das menschliche Gehör braucht, um auch die Richtung und damit den Ort sowie die Art des Schallsignals schnell und präzise bestimmen zu können.
  • Damit das mit möglichst hoher Güte möglich ist, ist eine geringe Breite des Spaltes sinnvoll. In einer ersten Ausführungsvariante schlägt die Erfindung eine Spaltbreite von 100 Mikrometer vor. Für noch höherwertigere, erfindungsgemäße Mikrofone wird die Breite des Spaltes auf einen Wert zwischen 40 Mikrometer und 10 Mikrometer eingegrenzt.
  • Eine weitere, hilfreiche Verfeinerung ist, dass der Spalt das Profil eines Kegelstumpfes hat, also an der zur Membran weisenden Seite der beiden Metallplatten deutlich schmäler ist als an ihrer gegenüberliegenden Seite.
  • Ein erfindungsgemäßes 3D-Stereospaltmikrofon ist in der einfachsten Ausführungsform als ein Druckempfänger aufgebaut, der nur eine große Öffnung aufweist, die mit einer Membran abgedeckt ist. Damit wird ein etwa kugelförmiges Richtdiagramm erreicht. Nur für hohe und höchste Frequenzen weist das Richtdiagramm eine Vorzugsrichtung auf, weshalb es auf die Schallquelle ausgerichtet wird.
  • In einer Ausführungsvariante weist ein erfindungsgemäßes 3D-Stereospaltmikrofon auch zwei Öffnungen in seinem Hohlkörper auf, die jeweils mit einer eigenen Membran verschlossen sind. Eine derartige Mikrofonkapsel wird als sog. "Druckgradientenempfänger" eingesetzt. Das ist an der Außenseite des Mikrofons daran erkennbar, dass zu beiden Seiten der Mikrofonkapsel Öffnungen für den Eintritt und den Austritt von Luft vorhanden sind. Dadurch werden Schallreflektionen, die z.B. in Innenräumen zusätzlich auf das Mikrofon einwirken, ausgeblendet, da nur die Differenz der von der einen Seite eintreffenden Druckwelle zu der von der anderen Seite auftreffenden - reflektierten - Welle erfasst wird. Deshalb hat ein Druckgradientenempänger grundsätzlich eine Richtcharakteristik.
  • Eine erfindungsgemäße Mikrofonkapsel kann natürlich auch in allen anderen bekannten und noch zu präsentierenden Bauformen eines Kondensatormikrofons eingesetzt werden.
  • In weiteren Ausführungsvarianten wird die Mikrofonkapsel von Kugeln, Trennscheiben, Kugelplatten, anderen Platten, Abhängevorrichtungen für Grenzflächen, Flächenkörpern, Formkörpern, Kugelkörpern, Richtkörpern wie Niere, Superniere oder Hyperniere, Trennkörpern, Richtrohrkörpern, Miniaturkörpern und/oder anderen, auf aktuellem Stand der Technik bekannten zusätzlichen mechanischen Elementen oder körperlichen Formen umgeben. Am äußeren Erscheinungsbild eines erfindungsgemäßen Mikrofons sind also seine kennzeichnenden Merkmale deshalb nicht ohne weiteres direkt erkennbar, sondern zumeist erst nach Zerstörung des Mikrofons selbst.
  • Als eine weitere Ausführungsvariante können die beiden Metallplatten der ansonsten getrennten, beiden Mikrofonkapseln auf einem gemeinsamen Träger befestigt werden. Dadurch werden eine erhöhte mechanische Stabilität und eine erhöhte Genauigkeit für die Einstellung des Spaltes zwischen den beiden Metallplatten erreicht. Damit steigt auch die Genauigkeit des Anteiles vom elektrischen Signal, welches nach der Rückwandlung in Schallbewegungen der Luft dem menschlichen Gehör die Lokalisierung ermöglicht, also den dreidimensionalen Anteil des Hörens ausmacht. Durch ein naturgetreues "in-Form-machen" steigt also der Informationsgehalt des Schallsignals.
  • Als eine weitere Verbesserung schlägt die Erfindung vor, dass eine Trennwand an den Isolator im Spalt und/oder an die linke Metallplatte und/oder an die rechte Metallplatte nahe dem Spalt angrenzt sowie sich an die Mikrofonkapsel anschließt. Damit wird eine vollständige Trennung des Hohlraumes hinter den beiden Metallplatten erreicht. Die Erfindung empfiehlt, die beiden Kammern sogar Luftdicht voneinander abzugrenzen, weil dadurch jegliches Übersprechen von der "Rückseite" der Metallplatten her vermieden wird.
  • Dann sollte jede dieser beiden Kammern über eine kleine Bohrung mit der Außenatmosphäre verbunden werden, damit die Luft in den Kammern die Membran nicht wie eine Feder belastet und damit Luftdruckänderungen die Kammern nicht wie die Dose eines Barometers zusammendrücken oder aufblähen.
  • Im allgemeinsten Fall können die Metallplatten und die Membrane in einem beliebigen Winkel zueinander ausgerichtet sein. Die Erfindung bevorzugt jedoch, dass die beiden Metallplatten parallel zur Membrane ausgerichtet sind, weil dann die Fehler bei der Umwandlung des Schalldruckes in elektrische Spannungen am geringsten sind.
  • Eine bevorzugte Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen 3D-Spaltmikrofones weist eine Membrane mit einer extrem niedrigen Biegefestigkeit auf. Der Vorteil ist, dass die auftreffenden Schallbewegungen mit abnehmender Biegefestigkeit der Membrane immer weniger verzerrt werden. Deshalb wird für die Membrane in der Praxis eine Goldfolie mit einer Stärke von wenigen Mikrometern eine bevorzugte Variante sein.
  • Die Form des als Mikrofonkapsel dienenden Hohlkörpers ist prinzipiell beliebig. Für ein gutes Übertragungsverhalten bei allen Frequenzen und bei allen Steilheiten eines Impulses sind jedoch regelmäßige Formen vorteilhaft. Die Erfindung bevorzugt, dass die Mikrofonkapsel als Hohlzylinder geformt ist, dessen untere Stirnseite verschlossen ist und dessen obere Stirnseite die Öffnung ist, die von der Membrane verschlossen ist und der Querschnitt des Hohlzylinders ein Kreis ist. Da die Metallplatte gegenüber der Membrane jedoch durch einen Spalt halbiert ist, kann es unter Umständen auch sinnvoll sein, die Flächen beider Metallplatten zu einem Oval oder zu einer Ellipse zu formen.
  • Bei jeder Form der Mikrofonkapsel ist es von Vorteil, wenn der Spalt durch den geometrischen Mittelpunkt der Mikrofonkapsel verläuft. Damit ist der Spalt im Bereich der geringsten Biegefestigkeit der Membrane angeordnet. Dadurch kann das erfindungsgemäße Mikrofon auch noch sehr geringe Laufzeitunterschiede zwischen zwei Schallbewegungen erfassen.
  • Die Form des Spaltes ist im allgemeinsten Fall beliebig. Ein grader Spalt reduziert die parasitären Kapazitäten zwischen den beiden Metallplatten auf das geringste mögliche Maß.
  • Zwecks Erfassung auch kleinster Laufzeitunterschiede zwischen den beiden Mikrofonen des erfindungsgemäßen 3D-Spaltmikrofons ist ein möglichst kleiner Spalt zu bevorzugen, der über die gesamte Länge hinweg die gleichen Abmessungen hat. Die Reduzierung der parasitären Kapazität zwischen den beiden benachbarten Metallplatten kann jedoch die Begründung dafür sein, den Spalt nach außen hin zu verbreitern und ihm z.B. die Form einer Parabel zu geben.
  • Zum elektrischen Anschluss eines erfindungsgemäßen 3D-Spaltmikrofons wird vorzugsweise zwischen dem elektrischen Anschluss der Membrane und dem jeweiligen elektrischen Anschluss der linken Metallplatte und der rechten Metallplatte in Reihe je eine elektrische Energiequelle wie z.B. eine Batterie und je ein Belastungswiderstand angeschlossen und an jedem Belastungswiderstand ein elektrisches Signal abgegriffen, das erst einem Impedanzwandler und dann einem Mikrofonverstärker zugeführt wird.
  • Ein erfindungsgemäßes 3D-Spaltmikrofon kann in einer einfacheren Ausführungsform auch als Elektretmikrofon hergestellt werden. Der Vorteil eines Elektretmikrofons gegenüber dem Kondensatormikrofon ist, dass es statt einer externen Versorgungsspannung eine dauerhafte elektrostatische Polarisierung durch eine Elektretfolie als Kondensatorvorspannung nutzt.
  • Auf die der Membran gegenüberliegenden Metallplatten ist jeweils eine Elektretfolie aufgebracht, die für die Membranvorspannung sorgt. Beim "Back-Elektretmikrofon" ist das Elektret feststehend und die Membran ist eine metallbedampfte, leichtere Folie. Die Größe der Mikrofonkapsel liegt meistens zwischen zwei Millimetern und einem Zentimeter. Der Frequenzgang kann in der Praxis bei einer Ausführung als Druckempfänger - also einem Mikrofon mit Kugelcharakteristik - von 20 Hz bis 20 kHz reichen. Da wegen des Elektrets keine hohe Vorspannung für die Membran benötigt wird, reicht in der Praxis eine Spannung von etwa 1,5 V zur Versorgung des Impedanzwandlers aus.
  • In einer weiteren, sehr interessanten Variante ist ein erfindungsgemäßes 3D-Stereospaltmikrofon in ein Hörgerät integriert. Hier könnte es dramatische Erleichterungen insbesondere für ältere Menschen schaffen, bei denen oft eine Alterung des Gleichgewichtsorganes sowieso schon Orientierungsschwierigkeiten generiert. Für die Funktion als Hörgerät ist es eine sehr interessante Ausführungsvariante, dass ein erfindungsgemäßes 3D-Spaltmikrofon z. B. in der Vorderseite eines Brille integriert ist und damit ein genau gerichtetes Hören ermöglicht, also auch dem Hörbehinderten wieder ermöglicht, sich akustisch im Raum zu orientieren.
  • Eine weitere sehr interessante Anwendung eines erfindungsgemäßen 3D-Spaltmikrofons ist ein Vektormikrofon, das Schallschnelle und Schalldruck aufnimmt. Damit ist die Erfassung der Teilchenbewegung und ihrer Intensität möglich.
  • Im Folgenden sollen weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung anhand von Beispielen näher erläutert werden. Diese sollen die Erfindung jedoch nicht einschränken, sondern nur erläutern. Es zeigt in schematischer Darstellung:
    • Fig.1: Zeitlicher Verlauf des Luftdrucks an einem Messort, wenn im Abstand davon sprungartig eine dynamische Druckänderung erzeugt wird gemäß dem aktuellen Stand der Technik.
    • Fig. 2: verschiedene zeitliche Druckverläufe bei Anwendung von Lautsprechern mit herkömmlichen, elektrodynamischen Schallwandlern gemäß dem aktuellen Stand der Technik.
    • Fig. 3: einen Kurvenverlauf analog zur Fig. 2, jedoch bei Anwendung eines Lautsprechers mit einem Biegewellenwandler gemäß dem aktuellen Stand der Technik.
    • Fig. 4: verschiedene Kurvenverläufe analog zu Fig. 3 bei Anwendung eines Lautsprechers mit einem Biegewellenwandler nach dem Stand der Technik an unterschiedlichen, nicht in der Wandlerachse liegenden Messorten gemäß dem aktuellen Stand der Technik.
    • Fig. 5: Kurvenverläufe analog zu Fig.4, jedoch bei der hälftigen Abdeckung des Biegewellenwandlers mit einem akustisch undurchlässigen Umlenkelement gemäß dem aktuellen Stand der Technik.
    • Fig.6: Schnitt durch ein erfindungsgemäßes 3D-Stereomikrofon
  • In Figur 6 ist der Schnitt durch ein erfindungsgemäßes 3D-Stereomikrofon gezeigt. Das hier dargestellte Ausführungsbeispiel besteht aus einer hohlzylindrischen Mikrofonkapsel 1, deren Unterseite durch eine angeformte Ebene verschlossen ist. Die Mikrofonkapsel 1 weist an ihrer Oberseite die Öffnung 11 auf, die in diesem Ausführungsbeispiel von zwei umlaufenden Auskragungen umrandet wird.
  • Auf der unteren Auskragung in der Öffnung 11 ist die Metallplatte 3 gelagert, die die Gegenelektrode zu der Membrane 2 als erster Elektrode ist. In Figur 6 ist das wesentliche Element der Erfindung sehr deutlich und auf den allerersten Blick zu erkennen, nämlich die Aufteilung der Metallplatte 3 durch den Spalt 4 in die Metallplatte links 3L und die Metallplatte rechts 3R. Der Übersichtlichkeit halber ist der Spalt 4 in Figur 6 relativ sehr groß dargestellt, obwohl er in der Praxis mit einer Breite von typischerweise 10 - 40 Mikrometern so schmal ist, dass er bei einer maßstäblichen Darstellung in Figur 6 nur noch als ein Strich zu identifizieren wäre.
    Am obersten Rand der Öffnung 11 läuft die zweite Auskragung der Mikrofonkapsel 1 um, auf welcher die Membran 2 isoliert befestigt ist. Im Schnitt ist gut zu erkennen, dass die Membran 2 parallel zu den beiden Metallplatten 3L und 3R verläuft. Sehr gut zu erkennen ist auch, dass die Membrane 2 als erste Elektrode und die Metallplatte links 3L als linke Gegenelektrode und die Metallplatte rechts 3R als rechte Gegenelektroden jeweils zusammen mit einem Teil der Membran 2 einen Plattenkondensator bilden. Das Dielektrikum dieser beiden Plattenkondensatoren, also das Material zwischen der ersten Elektrode und der jeweiligen Gegenelektrode ist bei einem erfindungsgemäßen 3D-Stereospaltmikrofon Luft.
  • Die Funktion eines erfindungsgemäßen 3D-Stereospaltmikrofones ist in Figur 6 sehr gut nachzuvollziehen. Wenn eine Schallbewegung für eine Bewegung der Luftmoleküle sorgt und sich diese Bewegung von Luftmolekül zu Luftmolekül fortpflanzt, so wird sie nach dem Ende der Laufzeit der Schallbewegung auf einen Punkt der Membran 2 eintreffen und diesen verformen. Je nach dem, ob sie im linken Bereich der Membran 2 oder im rechten Bereich der Membran 2 eintrifft, sorgt sie für eine "Einbeulung" der Membran 2. Damit sinkt auch die Kapazität zwischen der Membran 2 als erster Elektrode und den beiden Metallplatten 3L und 3R als Gegenelektrode.
  • In Figur 6 ist nicht eingezeichnet, dass diese Änderung der Kapazität elektrisch abgefragt wird, indem zwischen dem elektrischen Anschluss 2E der Membran 2 und dem elektrischen Anschluss 6L der Metallplatte 3L sowie dem elektrischen Anschluss 6R der Metallplatte 3R eine Gleichspannungsquelle mit einem Belastungswiderstand in Reihe geschaltet wird. Jede Änderung der Kapazität zwischen der Membran 2 und einer der beiden Metallplatten 3L oder 3R kann dann am Belastungswiderstand als elektrische Spannung abgegriffen werden.
  • In Figur 6 ist der Übersichtlichkeit halber im Spalt 4 kein zusätzlicher Werkstoff als Isolator eingezeichnet.
  • Dargestellt ist in Figur 6 die Ausführungsvariante mit einer Trennwand 5, die in der hier dargestellten Ausführungsform luftdicht mit der Mikrofonkapsel 1 verbunden ist, sowie ebenfalls luftdicht mit den jeweiligen Kanten der beiden Metallplatten 3L und 3R. Dadurch entstehen zwei Kammern anstellen einer einzigen Kammer wie bei bekannten Kondensatormikrofonen.
  • In Figur 6 ist eingezeichnet, dass die beiden Kammern jeweils durch eine kleine Bohrung mit der Außenluft verbunden sind, um bei Änderungen des atmosphärischen Druckes der Umgebungsluft nicht wie eine Barometerdose zusammengedrückt oder auseinander gebläht zu werden. Diese Bohrung dient ebenfalls zum Entweichen von Luft, die durch ein "Ausbeulen" der Membran 2 ansonsten komprimiert werden würde.
  • In Figur 6 ist als eine Variante der Metallplatte links 3L und rechts 3R eine feine Lochung gezeigt. Durch diese Löcher entweicht das kleine Luftpolster zwischen der Membran 2 und den beiden Metallplatten links 3L und rechts 3R.
  • In Figur 6 sind die elektrischen Anschlüsse 6L der Metallplatte 3L und 6R der Metallplatte 3R sowie 2E der Membrane 2 nur prinzipiell eingezeichnet.
    • Bezugszeichenliste
    • 1
    Mikrofonkapsel
    11
    Öffnung
    2
    Membrane
    2 E
    elektrischer Anschluss der Membran 2
    3
    Metallplatte
    3L
    Metallplatte links
    3R
    Metallplatte rechts
    4
    Spalt
    5
    Trennwand
    6L
    elektrischer Anschluss der Metallplatte 3L
    6R
    elektrischer Anschluss der Metallplatte 3R

Claims (22)

  1. 3D-Stereospaltmikrofon zum Umwandeln von Schallbewegungen der Umgebungsluft in zwei elektrische Spannungen, bestehend aus
    - einer Mikrofonkapsel (1)
    - in der Form eines Hohlkörpers,
    - der eine Öffnung (11) aufweist, die mit einer Membrane (2) als Elektrode abgedeckt ist,
    - die aus einer flexiblen und elektrisch leitfähigen Folie besteht und
    - die elektrisch isoliert befestigt ist und die zu
    - wenigstens einer Metallplatte (3) als Gegenelektrode beabstandet ist, die innerhalb der Mikrofonkapsel (1) befestigt ist,
    wobei
    die Metallplatte (3) durch einen Spalt (4) in eine linke Metallplatte (3L) als linke Gegenelektrode und eine rechte Metallplatte (3R) als rechte Gegenelektrode aufgeteilt ist,
    - die elektrisch voneinander isoliert sind und
    - je einen eigenen elektrischen Anschluss (6L) und (6R) aufweisen
  2. 3D-Stereospaltmikrofon nach Anspruch 1, wobei der Hohlkörper eine weitere Öffnung (11) aufweist.
  3. 3D-Stereospaltmikrofon nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Mikrofonkapsel (1) von
    - Kugeln und/oder
    - Trennscheiben und/oder
    - Kugelplatten oder anderen Platten und/oder
    - Abhängevorrichtungen für Grenzflächen und/oder
    - Flächenkörper und/oder
    - Formkörper und/oder
    - Kugelkörper und/oder
    - Richtkörper wie Niere, Superniere oder Hyperniere und/oder
    - Trennkörper und/oder
    - Richtrohrkörper und/oder
    - Miniaturkörper und/oder
    anderen, auf aktuellem Stand der Technik bekannten zusätzlichen mechanischen Elementen oder körperlichen Formen umgeben ist.
  4. 3D-Stereospaltmikrofon nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zwischen der linken Metallplatte (3L) und der rechten Metallplatte (3R) ein elektrischer Isolator eingebaut ist, der den Spalt (4) zwischen den beiden Metallplatten (3L) und (3R) vollständig ausfüllen kann.
  5. 3D-Stereospaltmikrofon nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Breite des Spaltes (4) kleiner als 100 Mikrometer ist.
  6. 3D-Stereospaltmikrofon nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Breite des Spaltes (4) kleiner als 40 Mikrometer und größer als 10 Mikrometer ist.
  7. 3D-Stereospaltmikrofon nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Spalt (4) zwischen den beiden Metallplatten (3L) und (3R) nahe der Membrane (2) schmäler ist als an der gegenüberliegenden Seite der Metallplatte (3L) und (3R).
  8. 3D-Stereospaltmikrofon nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei beide Metallplatten (3L) und (3R) auf einem gemeinsamen Träger befestigt sind
  9. 3D-Stereospaltmikrofon nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Trennwand (5) an den Isolator im Spalt (4) und/oder an die linke Metallplatte (3L) und/oder an die rechte Metallplatte (3R) nahe dem Spalt (4) angrenzt sowie sich an die Mikrofonkapsel (1) anschließt.
  10. 3D-Stereospaltmikrofon nach Anspruch 9, wobei der Hohlkörper zwei, in Bezug auf die Trennwand (5) einander gegenüberliegende Öffnungen (11) aufweist.
  11. 3D-Stereospaltmikrofon nach Anspruch 9 oder 10, wobei die Trennwand (5) an ihren Kanten luftdicht verbunden ist, so dass sie die Mikrofonkapsel (1) in zwei pneumatisch voneinander getrennte Hälften (1 L) und (1 R) aufteilt.
  12. 3D-Stereospaltmikrofon nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Metallplatten (3R) und (3L) parallel zur Membrane (2) ausgerichtet sind.
  13. 3D-Stereospaltmikrofon nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Membran (2) eine möglichst geringe Biegefestigkeit aufweist.
  14. 3D-Stereospaltmikrofon nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Mikrofonkapsel (1) als Hohlzylinder geformt ist, dessen untere Stirnseite verschlossen ist und dessen obere Stirnseite die Öffnung (11) ist, die von der Membrane (2) verschlossen ist und der Querschnitt des Hohlzylinders
    - ein Kreis oder
    - ein Oval oder
    - eine Ellipse ist.
  15. 3D-Stereospaltmikrofon nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Spalt (4) durch den geometrischen Mittelpunkt der Mikrofonkapsel verläuft.
  16. 3D-Stereospaltmikrofon nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zwischen einem elektrischen Anschluss (2E) an die Membrane (2) und die beiden elektrischen Anschlüsse (6L) und (6R) der linken Metallplatte (3L) und der rechten Metallplatte (3R) in Reihe je eine elektrische Energiequelle wie z. B. eine Batterie und je ein Belastungswiderstand angeschlossen sind und an jedem Belastungswiderstand ein elektrisches Signal abgegriffen werden kann, das erst einem Impedanzwandler und dann einem Mikrofonverstärker zugeführt werden kann.
  17. 3D-Stereospaltmikrofon nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Spalt (4) zwischen den beiden Metallplatten (3L) und (3R) gerade verläuft und über die gesamte Länge hinweg das gleiche Profil aufweisen kann.
  18. 3D-Stereospaltmikrofon nach einem der Ansprüche 1 - 16, wobei der Spalt zwischen den beiden Metallplatten (3L) und (3R) sich nach außen hin vergrößert und zum Beispiel eine parabelförmig geformte Kante aufweist.
  19. 3D-Stereospaltmikrofon nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei auf die der Membran (2) gegenüberliegenden Metallplatten (3L) und (3R) jeweils eine Elektretfolie aufgebracht ist, die eine Membranvorspannung bewirkt.
  20. 3D-Stereospaltmikrofon nach Anspruch 19, wobei die Elektretfolie räumlich feststehend ist und/oder die Membran eine metallbedampfte Folie ist.
  21. Verwendung eines 3D-Stereospaltmikrofon nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei es in ein Hörgerät integriert ist.
  22. Anwendung eines 3D-Stereospaltmikrofons nach einem der vorhergehenden Ansprüche als Vektormikrofon, wobei es Schallschnelle und Schalldruck aufnimmt.
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