Opublikowano: 15.Y.1970 59694 KI. 21 a2, 2/01 MKP H04r *)(<9# UKD Wlasciciel patentu: Elektroakusztikai Gyar, Budapeszt (Wegry) Mikrofon dynamiczny z cewka drgajaca Przedmiotem wynalazku jest mikrofon dynamicz¬ ny z cewka drgajaca.Jak wiadomo, istnieja mikrofony dynamiczne z cewka drgajaca, skladajace sie z membrany, ob¬ wodu magnetycznego i akustycznego ukladu elek¬ trycznego, który jest przylaczony do membrany.Membrana jest podzielona przez cewke drgajaca umieszczona na odwrotnej stronie membrany na dwie dobrze rozróznialne czesci. Jedna czesc nazy¬ wana kolpakiem lezy wewnatrz cewki drgajacej, podczas gdy druga czesc polozona, poza cewka drga¬ jaca zwana jest sprezynujacym obrzezem.Do przedniej i tylnej strony membrany przyle¬ gaja okreslone przestrzenie i elementy akustyczne, które tworza akustyczny uklad elektryczny.Cewka drgajaca dzieli przylegajaca do tylnej strony membrany przestrzen na dwie czesci, mia¬ nowicie na przestrzen kolpaka i przestrzen przy¬ legajaca do tylnej strony sprezynujacego obrzeza.W pracy, powstaja w obydwu przestrzeniach, do których iprzylaczone sa rózne elementy akustyczne, rózne cisnienia. Ta róznica cisnien miedzy dwiema przestrzeniami tylko w nieznacznym stopniu moze byc wyrównana przez szczeline powietrzna tak, ze rózne cisnienia panujace w obydwu przestrzeniach sa przenoszone dalej na kolpak i sprezynujace ob¬ rzeze. Na skutek sztywnosci membrany obydwie te sily sumuja sie, przy czyni membrana z przy¬ laczona cewka drgajaca zmuszona jest do wykony¬ wania ruchu zlozonego, wypadkowego. 10 20 25 30 W wielu przypadkach, na skutek braku dostatecz¬ nej sztywnosci, membrana nie jest zdolna do sumo¬ wania sil dzialajacych na obydwie czesci, co powo¬ duje wystepowanie drgan w konsekwencji czego przenoszenie wyzszych czestotliwosci staje sie nie¬ równomierne. Zjawisko to powoduje nieprzewidzia¬ ne zróznicowanie charakterystyk wytwarzanych mi¬ krofonów.Równiez i przenoszenie niskich czestotliwosci po¬ zostaje pod niekorzystnym wplywem przestrzeni przylaczonej do tylnej strony sprezynujacego obrze¬ za. Przestrzen ta jest mianowicie w przyblizeniu zamknieta tak, ze dzialanie jej jest podobne do dzialania twardej sprezyny, wskutek czego zostaje zwiekszony rezonans wlasny membrany, a tym sa¬ mym skrócona dolna granica przenoszonego pasma.Celem wynalazku jest usuniecie wymienionych wad. Cel ten zostal osiagniety przez stworzenie bezposredniego sprzezenia miedzy obydwiema prze¬ strzeniami, które sasiaduja z czescia brzegowa membrany. Sprzezenie to musi przy tym odpowia¬ dac pewnym ustalonym warunkom, odnosnie im- pedancji akustycznej.Wedlug wynalazku mikrofon dynamiczny z mem¬ brana i cewka drgajaca w którym, membrana przedzielona jest przez cewke drgajaca na kolpak wewnatrz cewki drgajacej i na sprezynujace obrze¬ ze poza cewka drgajaca i który, zgodnie z wynalaz¬ kiem ,wyróznia sie tym, ze przestrzenie przylega¬ jace do strony przedniej i tylnej sprezynujacego 596943 obrzeza sa wzajemnie sprzezone przez przepust, przy czym sprzezenie pomiedzy obydwiema prze¬ strzeniami przedstawia wypadkowa impedancje akustyczna „Z", której wartosc bezwzgledna jest najwyzej równa lub mniejsza od wartosci bez¬ wzglednej wewnetrznej impedancji „Zb" wewnatrz cewki drgajacej, akustycznego ukladu elektrycznego przylaczonego z dwóch stron do kolpaka, to jest (Z) ^ (Zb) Podczas gdy znane urzadzenia tego rodzaju mialy na celu usuniecie róznicy cisnien, która istniala miedzy przestrzeniami przylaczonymi do tylnej strony sprezynujacego obrzeza wzglednie do kolpa¬ ka, niniejszy wynalazek eliminuje róznice cisnien miedzy przestrzeniami sasiadujacymi ze strona 15 przednia i tylna sprezynujacego obrzeza.Zgodnie z wynalazkiem, sprzezenie obydwu prze¬ strzeni, sasiadujacych z przednia i tylna strona sprezynujacego obrzeza moze byc wykonane przy .pomocy dowolnej czesci, która dzieli te przestrze- 20 nie. Na przyklad moze otworzyc pierscien utrzy¬ mujacy membrane w kierunku promieniowym lub przelamac sprezynujace obrzeze.Korzysc konstrukcji wedlug wynalazku polega na tym, ze przy malej liczbie czesci skladowych, moz- 25 na uzyskac powtarzalne i równomierne przenosze¬ nie wyzszych czestotliwosci, przy uzyciu cienszych membran niz zwykle.W konstrukcji wedlug wynalazku na sprezynuja¬ ce obrzeze nie dziala zadna róznica cisnien, ponie- 30 waz przestrzenie sasiadujace z jego przednia i tyl¬ na strona sa tak ze soba sprzezone, ze zachowuja sie praktycznie jak jednolita przestrzen.Pociaga to za soba, ze na sprezynujace obrzeze przestaje dzialac czynnik cisnienia, przy czym bie- 35 rze ono udzial w ukladzie akustycznym tylko jako sprezyna.Jako czujnik cisnienia sluzy tylko kolpak, który z uwagi na to ze jego powierzchnia nie jest po¬ dzielona, jest sztywniejszy od calkowitej powierzch- 40 ni membrany stosowanej w dotychczasowych ukla¬ dach.Równoczesnie zmniejsza sie obciazenie membra¬ ny, poniewaz nie wystepuje juz potrzeba sumowa¬ nia róznych sil dzialajacych na obydwie czesci 45 i dalsze przekazywanie wypadkowego ich dzialania na cewke drgajaca. Dzieki temu przesylanie wyz¬ szych czestotliwosci staje sie bardziej równomierne.Dalsza korzysc polega na tym, ze z uwagi na zmniejszenie obciazenia membrany, moga byc za- 50 stosowane stosunkowo ciensze plytki membrano¬ we, co przynosi dalsze korzystne zmiany wlasci¬ wosci mikrofonu.Tak wiec mikrofon wykonany wedlug wynalazku wykazuje stosunkowo wyzsza czulosc i szersze pas- 55 mo przenoszenia. Równiez wymagania stawiane kolpakowi i sprezynujacemu obrzezu sa mniej su¬ rowe dzieki wymienionemu dzialaniu mikrofonu wykonanego wedlug wynalazku. Mikrofon wedlug wynalazku pozwala równiez na zastosowanie two- 60 rzywa w "szerszym zakresie gatunków, przez co wy¬ konanie jego staje sie bardziej ulatwione.W konstrukcji wedlug wynalazku przenoszenie niskich czestotliwosci zostaje polepszone, poniewaz przestrzen sasiadujaca z tylna strona sprezynujace- 65 4 go obrzeza zostala otwarta dzieki przewidzianym w wynalazku otworom sprzezenia i nie dziala jak sprezyna, przez co czestotliwosc rezonansowa mem¬ brany a tym samym dolna granica pasma przeno¬ szenia jest obnizona.Równiez znieksztalcenia liniowe sa usuniete przy czestotliwosciach posrednich, dzieki czemu uzys¬ kuje sie wyzsza czulosc i lepsza kierunkowosc. W mikrofonie wedlug wynalazku z pierscieniowa szczelina powietrzna z cewka drgajaca w obwodzie magnetycznym z rdzeniem zelaznym i jarzmem, szczelina powietrzna podzielona jest przez cewke drgajaca na wewnetrzna szczeline powietrzna mie¬ dzy rdzeniem zelaznymi i cewka drgajaca oraz na zewnetrzna szczeline powierzna miedzy cewka drga¬ jaca i jarzmem, a wartosc bezwzgledna wewnetrz¬ nej impedancji Zb akustycznego ukladu elektrycz¬ nego, przylaczonego do kolpaka z dwóch stron jest tej wielkosci, co podwójna wartosc bezwzgledna wypadkowej impedancji akustycznej Zs pierscienio¬ wej szczeliny powietrznej, tj.(Zb) ^ 2(Zs) Uklad elektryczny, którego wewnetrzna impedan- cja jest nizsza od stosowanych obecnie wartosci, wymaga stosowania elementów akustycznych o sto¬ sunkowo wiekszym przekroju poprzecznym. Dzieki temu uklad akustyczny przylega na duzej po¬ wierzchni do tylnej strony kolpaka.W konsekwencji, zmniejsza sie jeszcze bardziej naprezenie sztywnosci membrany, przy czym wy¬ konany w ten sposób uklad akustyczny zwieksza czulosc mikrofonu.Wypadkowa impedancja akustyczna Zs obydwu waskich pierscieniowych szczelin wystepuje wów¬ czas w elektrycznym ukladzie zastepczym jako po¬ laczona równolegle do akustycznej impedancji membrany. Impedancja ta bedzie nazywana w dal¬ szym ciagu impedancja bocznikowa.Dopóki wartosc bezwzgledna impedancji boczni¬ kowej jest wyzsza od wartosci bezwzglednej impe¬ dancji akustycznej mambrany, parametry przeno¬ szenia mikrofonu praktycznie sa stale. Natomiast w przypadku, gdy te obydwie wartosci sa wspól¬ mierne, lub gdy wartosc bezwzgledna impedancji bocznikowej jest mniejsza od wartosci bezwzgled¬ nej impedancji akustycznej membrany, to ze wzgle¬ du na zaleznosc bocznika od czestotliwosci przy czestotliwosciach posrednich, wystapi zmniejszenie czulosci i liniowe znieksztalcenia.Przypadek taki wystepuje czesto, przy czym po¬ garsza sie charakterystyka czestotliwosci wskutek znieksztalcen liniowych i mikrofon staje sie bez¬ uzyteczny.Znane sa mikrofony dynamiczne, w których cew¬ ka drgajaca umocowana jest na elemencie nosnym.W celu unikniecia wystepujacego wtedy znie¬ ksztalcenia liniowego, w mikrofonach wykonanych wedlug wynalazku mozna zwiekszyc impedancje bocznikowa w ten sposób, by przy odpowiednim ukladzie, element nosny i szczelina powietrzna wy¬ stepowaly ponad cewke drgajaca poprzecznie do kierunku pola w szczelinie powietrznej, przy czym dlugosc 1 przedluzenia jest wieksza od polowy wy¬ sokosci m/2 cewki drgajacej. Element nosny moze przy tym byc wykonany jako odrebna czesc skla-59694 dowa, lub moze stanowic jedna calosc ze sprezynu¬ jacym obrzezem lub kolpakiem. Taki uklad stwa¬ rza , poza zmniejszeniem znieksztalcenia liniowego, zwiekszenie czulosci, lub bardziej równomierne przesylanie przy wyzszych czestotliwosciach. 5 Czulosc kierunkowa mikrofonów wykonanych wedlug wynalazku moze byc dowolnie wybrana.Wedlug wynalazku mozna konstruowac mikrofony kuliste, mikrofony kardioidalne, mikrofony gradien¬ towe, mikrofony bliskiego zasiegu i inne. 10 Ponadto, "wysoka czulosc i stosunkowo prosta konstrukcja mikrofonu wedlug wynalazku, pozwala na znaczne zmniejszenie wymiarów mikrofonu, do okoto 50°/o wymiarów mikrofonów dotychczas sto¬ sowanych, bez pogorszenia kierunkowosci mikro- 15 fonu.W konsekwencji, przy wyzszych czestotliwosciach osiaga sie dalsza poprawe charakterystyki, a to na skutek zmniejszenia dzialania dyfrakcji, dzieki cze¬ mu przenoszenie czestotliwosci staje sie bardziej 2o równomierne; przy czym, mikrofon wykazuje przy srednich czestotliwosciach charakterystyke kierun¬ kowosci, lepsza anizeli przy wyzszych czestotliwos¬ ciach wykazywaly dotychczas stosowane najlepsze mikrofony dynamiczne. 25 Dalsze szczególy wynalazku wyjasnione sa po- % nizej na podstawie rysunku, na dwóch przykladach wykonania, na którym fig. 1 — przedstawia pierw¬ szy przyklad wykonania mikrofonu w przekroju wzdluznym, fig. 2 — elektryczny uklad zastepczy 30 mikrofonu z fig. 1, fig. 3 - drugi przyklad wyko¬ nania mikrofonu dynamicznego wedlug wynalazku w przekroju wzdluzym, fig. 3a — powiekszony szcze¬ gól z fig. 3, fig. 4 — uklad zastepczy mikrofonów fig. 3, a fig. 5 — sluzy do wyjasnienia wewnetrznej gg impedancji akustycznego ukladu elektrycznego mi¬ krofonu wedlug fig. 3.Jednakowe oznaczenia na figurach odnosza sie do tych samych czesci.Mikrofon wedlug wynalazku, którego przyklad 40 rozwiazania przedstawia fig. 1 posiada membrane, ^skladajaca sie z kolpaka 1 i ze sprezynujacego ob- 'rzeza 2. Czesci te sa oddzielone przez drgajaca cewke 4, gdyz sprezynujace obrzeze umieszczone jest na zewnatrz a kolpak 1 wewnatrz cewki drga- 4g jacej.Z przednia strona sprezynujacego obrzeza 2 sa¬ siaduje przestrzen 3, podczas gdy z tylna strona sprezynujacego obrzeza 2 sasiaduje przestrzen 8.Zgodnie z wynalazkiem, obydwie przestrzenie 3 i 8 sa ze soba sprzezone przepustem. Na przedsta¬ wionym przykladzie wykonania przepust sklada sie z wybran 7 w pierscieniu 6, który sluzy do zamo¬ cowania membrany 1, 2. Na obwodzie pierscienia 6 sa równomiernie rozlozone wybrania 7.Magnetyczny obwód mikrofonu sklada sie z rdze¬ nia zelaznego 11, magnesu trwalego 12, jarzma 10 oraz z pierscieniowej szczeliny powietrznej przed¬ stawionej w przykladowym wykonaniu, w której to szczelinie cewka 4 wykonuje swoje ruchy. eft 60 Cewka drgajaca 4 dzieli szczeline powietrzna na wewnetrzna szczeline powietrzna 22 zawarta mie¬ dzy rdzeniem zelaznym 11 i cewka drgajaca 4, wzglednie na zewnetrzna szczeline powietrzna 21 zawarta miedzy cewka drgajaca 4 i- jarzmem 10. 65 50 55 Z tylna strona kolpaka 1 sasiaduje przy tym przestrzen 9, która polaczona jest poprzez szczeliny pierscieniowe 21 i 22 z przestrzenia 3 znajdujacej sie po zewnetrznej stronie sprezynujacego obrzeza 2. Wypadkowa impedencja akustyczna tych dwóch pierscieniowych szczelin 21 i 22 tworzy wyzej wspomniana impedancje bocznikowa.Otwór 18 laczy sie z tylna strona membrany 1, 2 ^wewnatrz kolpaka 1 poprzez przestrzen 9. Otwór 18 jest polaczony z otoczeniem i zawiera material tlumiacy 14, który sluzy do tlumienia rezonansu wlasnego membrany 1, 2. Element centrujacy ozna¬ czony jest cyfra 13.Zgodnie z ukladem zastepczym * wedlug fig. 2 im¬ pedancja indukcyjna Ml reprezentuje mase aku¬ styczna membrany 1, 2. Podatnosc akustyczna membrany reprezentuje pojemnosc Cl, która od¬ powiada sprezynujacemu obrzezu.Do impedancji akustycznej membrany 1, 2 wla¬ czona jest równolegle impedancja indukcyjna Ms i opornosc czynna stalopradowa Rs.Czlony Ms i Rs tworza impedancje bocznikowa Zs. M2 — przedstawia mase akustyczna rury 18.Material tlumiacy 14 powoduje akustyczna opor¬ nosc R2. Przestrzen 9 daje podatnosc akustyczna C2. M3 przedstawia mase akustyczna otworów 20.W koncu, przestrzen 3 daje podatnosc akustyczna C3.Wielkosci te tworza w sumie akustyczny uklad elektryczny, który przylaczony jest w miejscach a i b do impedancji akustycznej Ml, Cl membrany 1,2.Cisnienie akustyczne dziala w dwóch imiejiscach na mikrofon a mianowicie, z jednej strony przez otwo¬ ry 20 ochronnej pokrywki 19, z drugiej zas strony przez rure 18. Cisnienia te sa oznaczone na zastep¬ czym ukladzie polaczen, zgodnie z fig. 2 znakami: pi i p2.Przyklad wykonania wedlug fig. 3. przedstawia mikrofon kardioidalny o kardioidalnej charaktery¬ styce kierunkowosci. Tutaj impedancja bocznikowa mikrofonu jest podwyzszona dzieki temu, ze cewka drgajaca 4 umieszczona jest na elemencie nosnym 5, a szczelina powietrzna 21, 22 jest przedluzona.Element centrujacy 13 i rdzen zelazny 11 sa tak uksztaltowane, ze pierscieniowe szczeliny powietrz¬ ne 21 i 22 zostaja wydluzone. Element centrujacy 13 sklada sie przy tym z materialu niemagnetycz¬ nego, by nie oslabiac natezenia pola.W celu wywolania czulosci kierunkowej, przy¬ laczone sa do membrany 1, 2 poza rura 18 przez przestrzen 9 jeszcze inne elementy akustyczne.Material tlumiacy 23 graniczy z zamknieta prze¬ strzenia 16, która ograniczona jest rura 15 i sciana 17.Z zastepczego ukladu polaczen, wedlug fig. 4 wy¬ nika, ze akustyczna impedancja 1, 2, utworzona jest tutaj równiez'przez czlony Ml i Cl.Impedancja bocznikowa Zs, która jest wyzsza od impedancji w poprzednim przykladzie wykonania, reprezentowana jest przez czlony Ms i Rs.Akustyczny uklad elektryczny przylaczony w miejscach a i b jest W stosunku do poprzedniej formy wykonania rozszerzony o akustyczna opor¬ nosc Ro, akustyczna mase Mo i akustyczna podat-7 nosc Co, które w kolejnosci, utworzone sa z mate¬ rialu tlumiacego 23, rury 15 i zamknietej pustej przestrzeni 16.Fig. 5 pozwala na jednoznaczna interpretacje impedancji akustycznego ukladu elektrycznego. Na 5 rysunku przedstawiona jest wewnetrzna impedan- cja Zb mikrofonu kardioidalnego, wedlug fig. 3.Wewnetrzna impedancja akustycznego ukladu *• elektrycznego, przylaczonego w miejscach a i b elektrycznego, schematu zastepczego, moze byc ob- 10 liczona na podstawie twierdzen Thevenina i Norto- na. Rezultatem jest uklad zastepczy przedstawiony na rysunku.Przyklad: Rozpatrywany jest mikrofon gradientowy wedlug 15 fig. 1. Na obrzezu tego mikrofonu wykonano siedem otworów, których wymiary wynosza 1,5 x 3 x 2 mm. Rura 18 ulozona w przestrzeni otoczenia ma nastepujace wymiary: 10 x 20 mm. Wymiary szcze¬ lin powietrznych 21 i 22 wynosza: 15 x 0,4 x 1,5 20 mm.Na podstawie wzorów stosowanych w akustyce otrzymuje sie dla mas akustycznych nastepujace wartosci.M = 110 kg/m4 25 M2 = 385 kg/m* Ms = 380 kg/m4 Pozostale elementy akustycznego ukladu elek- trcznego moga byc pominiete tak, ze: Zb = M2 Z = M ¦ Zs = M3 Tak wiec, warunki, wedlug wynalazku sa spel- 35 nione gdyz 110 < 385 (Z) ^ (Zb) Ale równiez spelnione sa warunki dla wenetrznej impedencji akustycznej,gdyz 40 385 < 760 to jest (Zb) ^ 2 (Zs) Jak widac, chodzi tu o uwielokrotnienie o czyn- 45 nik od 2 do 5 tak, ze doswiadczonemu fachowcowi 8 wystarcza tylko spojrzenie dla stwierdzenia, czy wymagania odnosnie mikrofonu, wykonanego we¬ dlug wynalazku, sa spelnione. PL