JP3762377B2

JP3762377B2 - コンデンサ型広帯域マイクロホン

Info

Publication number: JP3762377B2
Application number: JP2003071658A
Authority: JP
Inventors: 靖彦管野; 実小林; 敬嗣今永; 正和岩城; 敏行西口; 彰男安藤; 公男濱崎
Original assignee: Japan Broadcasting Corp
Current assignee: Japan Broadcasting Corp
Priority date: 2003-03-17
Filing date: 2003-03-17
Publication date: 2006-04-05
Anticipated expiration: 2023-03-17
Also published as: JP2004282449A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、マイクロホンに係り、特に、コンデンサ型広帯域マイクロホンに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、ＤＶＤオーディオやスーパー・オーディオなどの広帯域再生システムが一般化しつつあるが、これらのソフト作成に使用可能な広帯域マイクロホンは未だ商品化されていない。これは、広帯域と高感度（Ｓ／Ｎの良好な）を両立させたマイクカプセルの実現が技術的に困難であることに起因する。
【０００３】
低域から高域までの広い周波数範囲でほぼ一定の感度を得ることが可能な音響電気変換器としては、従来より全指向性のコンデンサ型マイクロホンが最適とされている。コンデンサ型マイクロホンの帯域の上限は、振動膜の膜面上における音波の回折効果により生じた特定の周波数における感度上昇と振動膜の共振周波数の値とで決まり、それ以下の平坦な感度の帯域が使用可能な帯域とされている。
【０００４】
図３は、円形振動膜のマイクカプセルの回折効果を円筒形物体の回折係数で説明している（非特許文献１参照）。なお、この図３は、非特許文献１の第１０頁に記載の第２図に基づいている。
同図において、横軸は周波数、縦軸は音圧または感度である。振動膜の正面方向の音波ではマイクカプセルの直径と音波の波長とが等しくなる周波数（この周波数を、第１の周波数Ｆ１と言う）とその奇数倍の周波数で音圧が約１０（ｄＢ）上昇し、感度もそれに伴い約１０（ｄＢ）上昇している。また、偶数倍の周波数では回折効果による音圧の上昇は生じていない。
【０００５】
このように、回折効果により最初に生じる音圧の上昇（すなわち、第１の周波数Ｆ１における音圧の上昇）は、マイクカプセルの直径と音波の波長とが等しくなる周波数で生じるため、例えば、帯域の上限が１００（ｋＨｚ）のコンデンサ型マイクロホンを実現するには、マイクカプセルの直径を４（ｍｍ）以下にすることが必要となる。
【０００６】
【非特許文献１】
G.G.Muller et al.“ The Diffraction Produced by Cylindrical and Cubical Obstacles and by Circular and Squar Plates ”J.A.S.A. Vol.10 , pp.6-13, July ,1938
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、マイクカプセルの直径を小さくすることにより、振動膜の直径はさらに小さくなり、振動膜を振動させる起振力が低下して感度が下がる。これと同時に振動膜と背電極の対向面積も減少し、静電容量が小さくなり、コンデンサ形音響電気変換器の出力に接続されたインビーダンス変換のための電気回路で生じるノイズが増大するといった問題が生じる。
【０００８】
コンデンサ形マイクカプセルの共振周波数Ｆ₀と感度（Ｅ／Ｐ：Ｅは出力電圧、Ｐは音圧）は、次の（１），（２）式でそれぞれ表される。
【数１】

ｓ：等価スチフネスｍ：等価質量Ｓ：実効面積Ｅ：出力電圧
Ｐ：音圧Ｅｂ：成極電圧Ｄｂ：実効空隙長Ｃｂ：静電容量
Ｃｓ：浮遊容量
【０００９】
（１）式において、等価スチフネスｓを大きくして共振周波数Ｆ₀を高めようとすると、（２）式の関係からコンデンサ形音響電気変換器の感度（Ｅ／Ｐ）は低くなる。こうしたことから、等価スチフネスｓを大きくしてマイクカプセルの広帯域化を図った場合、感度は低くなり、良好なＳ／Ｎを得ることがきわめて困難になる。このように、コンデンサ型マイクロホンの場合、マイクロホンの帯域の広さと感度とは相反する関係にある。
【００１０】
一方、マイクロホンから発生するノイズの周波数は広帯域に分布する。音響測定用のマイクロホンであれば、単一周波数を利用して音響を測定する手法を用いることにより、広帯域に分布するノイズの影響を軽減することが可能である。しかし、一般的に広帯域な周波数分布を有する音声を収音する場合には、収音音声の品質が低下することになる。
【００１１】
また、現在音響測定に実用されている１００（ｋＨｚ）までの帯域を有するコンデンサ型マイクロホンでは、振動膜の高い張力を得るために金属フィルムを使用しており、音声の収音に適する感度と良好なＳ／Ｎは得られていない。
従って、Ｓ／Ｎの良好な広帯域・高感度マイクロホンを実現するためには、振動膜の材料の吟味に始まり、既存のマイクロホンの大掛かりな改修を伴うことになる。
【００１２】
図４は、従来の広帯域のマイクロホンの設計例を示し、一点鎖線ａで示す特性は第１の周波数Ｆ１（ここでは、Ｆ１を１００（ｋＨｚ）とする）における回折効果による感度上昇を示し、破線ｂで示す特性は音響電気変換器の共振周波数Ｆ₀を約８０（ｋＨｚ）、共振のＱを０．７に設定した場合のマイクロホンの周波数特性を示し、実線ｃで示す特性は、両特性（一点鎖線ａと破線ｂで示す特性）が合成された後のマイクロホン出力の周波数特性を示している。
【００１３】
図５は、図４に示すマイクロホン出力の周波数特性を電気回路で補正した場合の周波数特性（一点鎖線で示す）を、補正前の特性（実線で示す）とともに示し、帯域の上限周波数Ｆｈが１００（ｋＨｚ）を確保しているが、回折効果により感度が上昇する第１の周波数Ｆ１を１００（ｋＨｚ）に設定しているため、マイクカプセルの直径が３．４（ｍｍ）となり、感度の低下につながる。
このように、従来技術においては、広帯域と高感度とは両立しなかった。
【００１４】
本発明の目的は、既存のマイクロホンの大きさや構造を変えることなく、広帯域と高感度（Ｓ／Ｎの良好な）を両立させたコンデンサ型広帯域マイクロホンを提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明コンデンサ型広帯域マイクロホンは、マイクカプセルの振動膜の膜面上における音波の回折効果により生じた第１の周波数Ｆ１と該第１の周波数Ｆ１の３倍の周波数である第３の周波数Ｆ３とにおける感度上昇と、それら第１と第３の各周波数Ｆ１，Ｆ３の中央の周波数である第２の周波数Ｆ２における振動膜の共振による感度上昇とを用いて平坦でかつ広帯域な感度を得るようにしたことを特徴とするものである。
【００１６】
また、本発明コンデンサ型広帯域マイクロホンは、前記音波の回折効果により生じた第１の周波数Ｆ１が、マイクカプセルの形状が円形のとき当該マイクカプセルの直径に波長が一致する音波の周波数であることを特徴とするものである。
【００１７】
また、本発明コンデンサ型広帯域マイクロホンは、前記第２の周波数Ｆ２における前記振動膜の共振を起こさせるために、前記振動膜をパラ系アラミドまたはポリフェニレンサルファイドのフィルムにより構成したことを特徴とするものである。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下に添付図面を参照し、発明の実施の形態に基づいて本発明を詳細に説明する。
上述したように、本発明コンデンサ型広帯域マイクロホンは、マイクカプセルの振動膜の膜面上における音波の回折効果により生じた第１の周波数Ｆ１と該第１の周波数Ｆ１の３倍の周波数である第３の周波数Ｆ３とにおける感度上昇と、それら第１と第３の各周波数Ｆ１，Ｆ３の中央の周波数である第２の周波数Ｆ２における振動膜の共振による感度上昇とを用いて平坦でかつ広帯域な感度を得るようにしたものであるが、以下に具体的な設計方法について説明する。
【００１９】
一般に、正面方向から到来する音波の回折効果により、マイクカプセルの直径に反比例した周波数において感度が上昇する現象がある。この現象は、マイクカプセルの直径に波長が一致する周波数（この周波数を第１の周波数Ｆ１という）とその奇数倍の周波数で生じ、これらの周波数では他の周波数におけるより感度がおよそ１０（ｄＢ）上昇する。そこで、本発明では、第１の周波数Ｆ１の３倍の周波数（この周波数を第３の周波数Ｆ３という）が収音しようとする音波の上限の周波数となるようにマイクカプセルの直径を決定する。
【００２０】
しかし、このままでは第１の周波数Ｆ１の２倍の周波数（この周波数を第２の周波数Ｆ２という）での感度は上昇しない（第１の周波数Ｆ１の偶数倍の周波数であるため）。そこで、本発明では、また、第２の周波数Ｆ２が振動膜の共振周波数Ｆ₀となるように振動膜の張力を調整して感度を上昇させる。
【００２１】
このような２つの手だて、すなわち、第３の周波数Ｆ３（第１の周波数Ｆ１の３倍の周波数）が目的とする上限の周波数になるようにマイクカプセルの直径を決定するとともに、第２の周波数Ｆ２（第１の周波数Ｆ１の２倍の周波数）が振動膜の共振周波数Ｆ₀となるように振動膜の張力を調整することにより、従来のコンデンサ型音響電気変換器の一般的構造を維持したままで、マイクカプセルの直径を小さくすることなく（マイクカプセルの直径を小さくすると感度が下がる）、広帯域、高感度のコンデンサ型広帯域マイクロホンを実現した。
【００２２】
以下に、本発明コンデンサ型広帯域マイクロホンの設計例を一実施形態について説明する。
ここでは、１００（ｋＨｚ）を帯域の上限周波数とする本発明コンデンサ型広帯域マイクロホンを設計する場合を想定する。
【００２３】
上限周波数である１００（ｋＨｚ）が第３の周波数Ｆ３となるためには、その１／３の周波数である第１の周波数Ｆ１が約３３（ｋＨｚ）でなければならない。第１の周波数Ｆ１はマイクカプセルの直径に音波の波長が一致する周波数であることから、この周波数の波長は、音速を３４０（ｍ／ｓ）とすると、３４０（ｍ／ｓ）／３３（ｋＨｚ）＝１０．３（ｍｍ）となるため、マイクカプセルの直径を１０．３（ｍｍ）に決定する。
【００２４】
（１）式、（２）式（発明が解決しようとする課題の項参照）から分かるように、共振周波数Ｆ₀が高い場合に高い感度（Ｅ／Ｐ）を得るには、等価質量ｍをできるだけ小さく設計し、共振周波数Ｆ₀の値で決まる等価スチフネスｓを小さく設計することが要求される。そのため、振動膜には比重の小さい材質の薄いフィルムを使用する必要がある。
【００２５】
また、コンデンサ型音響電気変換器では、通常、振動膜と背電極間に高い電圧が印加されており、そのため振動膜には絶えず背電極側に吸引される力が働いている。振動膜がこの力によって背電極こ吸引されないためには、安定状態を保つための張力が必要になる。
【００２６】
等価スチフネスｓは、振動膜のスチフネスｓｄと背部気室の呈する等価スチフネスｓｖで構成され、次の（３）式で表される。
ｓ＝ｓｄ＋ｓｖ・・・・・・・・・（３）
【００２７】
従って、共振周波数Ｆ₀により等価スチフネスｓの値が定まっている場合、振動膜のスチフネスｓｄの値を大きく設計すれば、振動膜の所要の安定度を保って（振動膜が背電極に吸引されないために必要）、成極電圧Ｅｂを高くすることができることになり、これが広帯域、高感度を実現するための必要条件になる。
【００２８】
そのため、本発明者らは、最近のコンデンサマイクカプセルの振動膜に使用され始めている、比重が小さく抗張力の大きい高分子樹脂（パラ系アラミドまたはポリフェニレンサルファイド）のフィルムを使用して３，５００（Ｎ／ｍ）以上のスチフネスｓを得た。振動膜にこれら高分子樹脂の３（μｍ）以下の薄いフィルムを採用し、背電極には、高強度のステンレスの薄板（０．２（ｍｍ）以下）を使用し、かつ背部気室に通じる微細孔を多数あけることにより、背電極で生じた空気の付加質量を減じて、目標とする６０（ｋＨｚ）の共振周波数を得た。
【００２９】
以上により、回折効果の生じる第１と第３の周波数Ｆ１，Ｆ３の中央の周波数である第２の周波数Ｆ２における感度上昇の値を最適値に制御して、帯域の上限が１００（ｋＨｚ）のマイクロホンを実現した。
【００３０】
図１は、本発明によって実現した帯域上限が１００（ｋＨｚ）のコンデンサ型広帯域マイクロホンの周波数特性を示している。
図１において、一点鎖線ａで示す特性は、第１と第３の周波数Ｆ１，Ｆ３（ここでは、第３の周波数Ｆ３を１００（ｋＨｚ）とする）における回折効果による感度上昇を示し、マイクカプセルの直径を、第１の周波数Ｆ１に対応する音波の波長である１０．３（ｍｍ）に一致させることで、帯域内の第１と第３の周波数Ｆ１，Ｆ３において回折効果により感度を上昇させている。また、破線ｂで示す特性は、振動膜の共振周波数Ｆ₀を、回折効果によって感度上昇の生じない第２の周波数Ｆ２である約６６（ｋＨｚ）に設定し、共振のＱを３に設定した場合の周波数特性を示し、実線ｃで示す特性は、上記ａ，ｂで示す特性が合成された後のマイクロホン出力の周波数特性を示している。
【００３１】
この実線ｃで示す周波数特性は、同図から分かるように、２０（ｋＨｚ）から６０（ｋＨｚ）までの間で特に感度が大きくなっている。なお、全体的にも、図３のもの（従来例）に比べ約１５（ｄＢ）の感度上昇が見られる。
【００３２】
次に、本発明によって実現したマイクロホンの周波数特性（図１に実線ｃで示す周波数特性）の電気回路による補正について説明する。
通常、音波の音圧は音源からの距離に反比例して減衰する。しかし、２０（ｋＨｚ）以上の高い周波数領域においては、周波数が高くなればなるほど距離による音圧の減衰が反比例関係以上に大きく減衰する。そのため、本発明によって実現したマイクロホンの、回折効果と共振周波数によって生じた２０（ｋＨｚ）から６０（ｋＨｚ）までの間の感度上昇は音楽の収音では、そのままで（補正しないで）却って良好な効果が得られるので、特に、電気回路による補正は必要ない。
【００３３】
しかし、音響測定に使用するために平坦な特性が要求される場合には、電気回路による補正が可能であり、その場合にもＳ／Ｎの劣化は生じない。
図２は、本発明によって実現したマイクロホンの周波数特性（図１に実線ｃで示す周波数特性で、図２でも実線ｃで示す）を電気回路によって補正して平坦な特性（一点鎖線で示す特性）にした場合を示している。
図２によれば、補正前、補正後の両曲線から分かるように、周波数特性を補正した場合においても、帯域の上限周波数Ｆｈの１００（ｋＨｚ）を確保しながら、平坦な特性を実現していることが分かる。
【００３４】
なお、広帯域・高感度コンデンサ型マイクロホンを実現するためには、設計においてカプセル容量、空隙長、成極電圧、背部気室容積など多くのパラメータが必要であるが、ここでは割愛する。
【００３５】
【発明の効果】
本発明によれば、コンデンサ型音響電気変換器の一般的な構造を維持したまま、また、振動膜の新規の設計を行うことなく、広帯域と高感度（Ｓ／Ｎの良好な）を両立させたコンデンサ型広帯域マイクロホンを提供することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によって実現した帯域上限が１００（ｋＨｚ）のコンデンサ型広帯域マイクロホンの周波数特性を示している。
【図２】本発明によって実現したマイクロホンの周波数特性を電気回路によって補正して平坦な特性にした場合を示している。
【図３】円形振動膜のマイクカプセルの回折効果を円筒形物体の回折係数で説明している。
【図４】従来の広帯域マイクロホンの設計例を示している。
【図５】図４に示すマイクロホン出力の周波数特性を電気回路で補正した場合の周波数特性を、補正前の特性とともに示している。

Claims

マイクカプセルの振動膜の膜面上における音波の回折効果により生じた第１の周波数Ｆ１と該第１の周波数Ｆ１の３倍の周波数である第３の周波数Ｆ３とにおける感度上昇と、それら第１と第３の各周波数Ｆ１，Ｆ３の中央の周波数である第２の周波数Ｆ２における振動膜の共振による感度上昇とを用いて平坦でかつ広帯域な感度を得るようにしたことを特徴とするコンデンサ型広帯域マイクロホン。
請求項１記載のマイクロホンにおいて、前記音波の回折効果により生じた第１の周波数Ｆ１は、マイクカプセルの形状が円形のとき当該マイクカプセルの直径に波長が一致する音波の周波数であることを特徴とするコンデンサ型広帯域マイクロホン。
請求項１または２記載のマイクロホンにおいて、前記第２の周波数Ｆ２における前記振動膜の共振を起こさせるために、前記振動膜をパラ系アラミドまたはポリフェニレンサルファイドのフィルムにより構成したことを特徴とするコンデンサ型広帯域マイクロホン。