WO2007031270A1 - Kapazitiver schallwandler mit perforierter dämpfungsscheibe - Google Patents

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WO2007031270A1
WO2007031270A1 PCT/EP2006/008865 EP2006008865W WO2007031270A1 WO 2007031270 A1 WO2007031270 A1 WO 2007031270A1 EP 2006008865 W EP2006008865 W EP 2006008865W WO 2007031270 A1 WO2007031270 A1 WO 2007031270A1
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perforation
membrane
perforated
counter electrode
damping
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PCT/EP2006/008865
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Manfred Hibbing
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Sennheiser Electronic Gmbh & Co. Kg
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Priority to EP06805695A priority patent/EP1927263B1/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
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    • H04R1/20—Arrangements for obtaining desired frequency or directional characteristics
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    • 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
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    • 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 capacitive transducer with a membrane and a short distance from the membrane arranged counter electrode which has a first perforation.
  • the invention further relates to a condenser microphone with a capacitive transducer according to the invention.
  • a capacitive transducer of a condenser microphone contains a planar membrane moved by the sound and parallel to it at a small distance a perforated counter electrode. Membrane and counter electrode are designed to be electrically conductive and form an electrical capacitor, whose capacity is dependent on the caused by the sound diaphragm displacement.
  • Such a condenser microphone is known for example from DE 19715365.
  • the air-filled narrow space between the membrane and the counter electrode acts as a frictional resistance due to the viscosity of the air, which inhibits the membrane movement. This effect is used to control membrane movement.
  • the air gap resistance is not constant, but depends on the instantaneous distance between the membrane and the counter electrode. As the membrane moves towards the counter electrode, the air gap becomes narrower and therefore the frictional resistance becomes greater, otherwise smaller. Therefore, an overpressure in front of the membrane, which moves the membrane towards the counterelectrode, produces a smaller membrane deflection than an equal negative pressure, which moves the membrane away from the counterelectrode.
  • the membrane movement and the resulting capacitance change is therefore not a linear image of the sound signal, but it is non-linearly distorted.
  • the extent of the non-linearity can be reduced by reducing the membrane deflection by suitable measures, for example by a stronger air gap damping.
  • suitable measures for example by a stronger air gap damping.
  • a more advantageous possibility to reduce the nonlinearity of the diaphragm deflection offers the so-called balanced push-pull converter, as described for example in DE 43 07 825 A1. It contains a second counterelectrode with identical properties as the first counterelectrode, which is arranged in front of the membrane in such a way that similar air gaps form on both sides of the membrane.
  • the membrane movement in this case causes opposing changes in resistance in both air gaps, which compensate each other. As a result, the membrane movement is linearized and the transducer distortions are minimized.
  • a further disadvantage of the capacitive sound transducers used in known condenser microphones is that the membrane in the areas facing the perforated areas of the counter electrode carries out partial natural oscillations at high frequencies, which lead to undesirable frequency-dependent changes in the transmission characteristics of the condenser microphone.
  • the frequencies at which partial natural oscillations occur depend on the mechanical stress of the membrane and on the size and shape of the perforation of the counterelectrode. They are often still within the transmission range, ie the specified operating frequency range, and lead to undesirable frequency-dependent changes in the transmission characteristics of the condenser microphone.
  • the object of the invention is to provide a capacitive sound transducer which effectively suppresses the nonlinear distortions and the disturbing partial natural oscillations of the membrane in a simple manner.
  • a capacitive transducer of the aforementioned type according to the invention that at a short distance from the membrane of the counter electrode opposite a sound-transmitting damping disc is arranged, which has a second perforation, and that the first perforation and the second perforation are arranged offset from each other ,
  • the invention is based on the finding that at a small distance between the damping disk and the membrane, the unwanted partial membrane vibrations even in the areas opposite to the perforated areas, so the holes, the counter electrode, by the Viskosi- fact between the membrane and the additional damper disc trapped air are effectively suppressed.
  • the second perforation is staggered such that perforated areas of the first and second perforations do not or only partially overlap.
  • the perforations of the counter electrode and damping disk can be designed as desired. This concerns both the arrangement of the perforated areas, so the holes, as well as their size, number and shape.
  • each membrane has modes.
  • the frequencies of the modes in which the membrane as a whole oscillates are so low that the associated wavelengths are so large compared to the perforation structure of the counter electrode, that here the interruptions of the air gap in the perforated areas cause only a gradual reduction of the total attenuation.
  • the ratios are fundamentally different at the high frequencies of the partial modes.
  • the regions of the membrane opposite the perforated regions of the counterelectrode are comparable to partial membranes which are located at the perforation. are clamped.
  • the partial membranes can vibrate freely and relatively undamped in the hole area. All that remains is the internal damping of the membrane material and the influence of the surrounding air gap area, which, however, can scarcely influence the hole area via the only slight bending stiffness of the membrane.
  • the partial membrane vibrates most strongly in the middle. Therefore, the dampening influence must be greatest here. According to the invention this is achieved by at least the middle region of the partial membrane is damped by at least one air gap. In the edge region of the partial membrane, the perforations of the counter electrode and the damping disk can partially overlap, without thereby significantly impairing the damping effect. As a guideline for sufficient damping, it can be considered that at least half of the partial membrane area is covered by at least one air gap.
  • the remaining acoustic properties of the capacitive transducer are only minimally affected, but effectively suppresses the natural vibrations of the membrane and distortion of the membrane movement, which leads to a significantly improved transmission quality of the transducer, especially at high frequencies.
  • damping is achieved, which acts locally and directly in the areas of the membrane, which tend to partial natural oscillations. The local and immediate effect is achieved by the viscosity of the air between the membrane and the damping disk is used directly, ie without additional mechanical or acoustic coupling elements, for damping.
  • damping disc provides for any diaphragm deflection for an opposite change in the acoustic impedance in the two air gaps, so that the entire acoustic impedance of the capacitive transducer according to the invention less than conventional capacitive Schallwandlem depends on the diaphragm deflection.
  • the natural vibrations of the membrane and the non-linear distortions are weakened in a simple manner, without affecting the other properties of the capacitive transducer.
  • the inventive capacitive transducer allows a smooth course of the frequency response at high frequencies.
  • the frequency response is one of the most important documentable transducer properties.
  • An improvement is immediately apparent to the user of a capacitive transducer according to the invention and is reflected immediately positive in the transmission quality.
  • the damping disk according to the invention requires only a small structural change of a capacitive transducer, whereby the attenuation of disturbing influences in a simple and cost-effective manner is possible.
  • the first perforation and the second perforation are offset from one another in such a way that perforated regions, that is to say the holes, of the counterelectrode are in each case opposite imperforate regions of the damping disk.
  • each region of the membrane faces at least one damping air gap, which dampens the disturbing natural oscillations.
  • first perforation and the second perforation are offset relative to one another such that perforated regions of the counterelectrode are each opposite a part of a perforated region of the damping disk.
  • the perforated portions of the counter electrode and the damping disk partially overlap. There are thus regions of the membrane which are not faced by an unperforated region. This is particularly advantageous, since then the perforated regions of the first and second perforations can be arranged closer together and in larger numbers. This is advantageous because it increases the sound transmissivity of the counter electrode and the damper disc and thus improves the converter efficiency at the high frequencies.
  • the first perforation and the second perforation are staggered relative to one another such that perforated regions of the counterelectrode are respectively opposite a part of a first perforated region of the damping disk and at least a part of a second perforated region of the damping disk.
  • a perforated region of the counter electrode is overlapped by at least two perforated regions of the damping disk. This enables damping according to the invention even in the case in which a large number of perforated regions of the first perforation is provided, to which a likewise large number of perforated regions of the second perforation is offset.
  • the part of a perforated region of the damping disk which is arranged opposite at least one perforated region of the counter electrode, is an edge region of the perforated region of the damping disk.
  • the holes of the counter electrode and the damping disk partially overlap slightly in the edge regions.
  • a middle In the region of a partial membrane at least one nonperforated region always faces.
  • the second perforation has substantially similar perforated areas as the first perforation.
  • the acoustic properties of the damping disk are matched to those of the counter electrode.
  • the size, shape, number and arrangement of the perforated regions, ie the holes are identical, so that by a corresponding offset angle between the counter electrode and the damping disk, ie by a rotation of the damping disk about its perpendicular to the damping disk rotation axis relative to the counter electrode, an effective attenuation of the membrane on the one hand and on the other hand achieve a favorable symmetry for a low-distortion diaphragm movement.
  • the perforations can be arranged particularly advantageously rotationally symmetrical, circular, in rows or honeycombs.
  • a rotational symmetry of circular hole arrangements facilitates the symmetrical design of the two perforated disks and thus makes it possible in a simple manner to acoustically sym- find metric solutions with the same number of holes in acoustically equivalent areas of the counter electrode and the damping disk.
  • This arrangement is particularly advantageous for the realization of a balanced push-pull converter.
  • the arrangement of the perforations in rows or honeycomb shape particularly advantageously allows a more uniform and narrower structure of the perforated areas. This allows a higher acoustic permeability, which has a favorable effect, especially at high frequencies.
  • the damping disk is designed as a second counterelectrode. If an additional counterelectrode is used as the damping disk, it assumes the damping function of the damping disk in the arrangement of its perforation according to the invention. In this way, the advantages of a push-pull converter can be combined with those of the damping disk according to the invention. With the staggered arrangement of the second perforation of the second counterelectrode with respect to the first perforation of the first counterelectrode according to the invention, it is possible to suppress interfering influences due to non-linearities of the membrane movement and natural oscillations of the membrane in a push-pull converter, so that it significantly improves transmission in high frequency ranges.
  • the damping disk is not electrically coupled to the sound transducer and there is no electrical evaluation.
  • the distance between the counter electrode and the membrane is equal to the distance between the damping disk and the membrane.
  • the invention relates to a condenser microphone with a sound transducer as defined in claims 1 to 11.
  • FIG. 1 is a schematic view of a known condenser microphone with a capacitive transducer
  • Fig. 2a is a plan view of a membrane in a known capacitive transducer
  • FIG. 2b shows a cross section through a membrane and a counter electrode in a known capacitive transducer
  • FIG. 3a shows a plan view of a damping disk in a capacitive sound transducer according to the invention in accordance with a first embodiment
  • 3b shows a cross section through a damping disk, membrane and counter electrode in a capacitive transducer according to the invention according to a first embodiment of the invention RPg,
  • Fig. 4 shows a second embodiment in a plan view of a damping disk in a capacitive transducer according to the invention
  • Fig. 5 shows a third embodiment in a plan view of a damping disk in a capacitive transducer according to the invention.
  • Fig. 1 shows a cross section through a known condenser microphone (electret microphone) with a capacitive transducer, which is often produced in identical or similar manner.
  • the following elements are provided within the microphone housing 13 provided with a sound inlet opening 11: a membrane ring 12, a membrane 3 bonded to the membrane ring 12, a spacer 4, an electret film 15, a counterelectrode 1 connected thereto, a contact ring 17, an insulating part 18 and a circuit board 19 with a circuit arrangement 20 mounted thereon (in particular with a field effect transistor) and with connection contacts 21.
  • the air gap 5 between the membrane 3 and the electret foil 15 or the counter electrode 1 is defined by the spacer 4.
  • FIG. 2a shows a schematic representation of a plan view of a membrane of a capacitive transducer in a conventional condenser microphone
  • Fig. 2b shows a cross section of the actual capacitive transducer.
  • the membrane 3 is arranged in front of the counterelectrode 1 with the perforation 2 (dashed).
  • the trapped in the air gap 5 between the membrane 3 and the counter electrode 1 air attenuates the membrane movement due to their viscosity. In the area of the perforation, however, the membrane 3 is not adequately damped, so that disturbing natural oscillations 6 can form here.
  • FIGS. 3a and 3b in analogy to FIGS.
  • the first perforation 2 and the second perforation 8 are arranged offset from one another in such a way that perforated regions of the counterelectrode 1 are respectively opposite non-perforated regions of the damping disk 7.
  • the perforated regions of the damping disk 7 and the counter electrode 1 are of the same size and shape, but of different number and arrangement in rows.
  • FIG 4 shows, by way of example, a second embodiment according to the invention, in which the perforation 8 of the damping disk 7 partially overlaps the perforation 2 of the counterelectrode 1 and in which the perforations 2, 8 are arranged in rows.
  • the first perforation 2 and the second perforation 8 are arranged offset from one another in such a way that perforated regions of the counterelectrode 1 are each opposite a part of a first perforated region of the damping disk 7 and a part of a second perforated region of the damping disk 7.
  • an effective damping of the membrane 3 can be achieved if the overlapping takes place primarily in the edge regions of the perforations, so that the diaphragm also has sufficiently large damping surfaces of the counterelectrode 1 or 2 in the perforated regions of the holes 2 and 8 .
  • the damping disk 7, in particular in the central regions of the partial membranes, opposite. 5 shows by way of example a third possible embodiment with rotationally symmetrically arranged perforations, in which the perforation 8 of the damping disk 7 and the perforation 2 of the counter electrode 1 overlap only slightly in the edge regions.
  • the number of holes in the counterelectrode 1 and in the damping disk 7 is the same in the three zones exemplified here and the acoustic effect of the counter electrode 1 and the damping disk 7 is therefore similar.
  • This embodiment is particularly suitable for the realization of a balanced push-pull converter, which combines the advantages of the damping disk according to the invention and a symmetrical counter clock converter in itself.
  • the perforations have been represented by circular holes with uniform hole sizes, but the perforations can be realized with any other shapes and sizes of perforated areas. Furthermore, the perforations of the two discs can be arranged differently and / or differ in number and shape from each other.
  • the damping disk according to the invention can be arranged both in a capacitive recording transducer as well as in a capacitive reproduction converter.
  • a damper disc according to the invention acts damping and distortion-reducing and thus increases the signal quality.
  • a maximum damping effect of the partial vibrations is achieved if a perforated region of the counterelectrode faces a non-perforated region of the damping disk. If the perforated areas of the counter electrode and the damping disk overlap, the damping effect of the Although lower partial modes, but more perforated areas can be accommodated on the counter electrode and / or damping disc, which leads to an increase in the sound transmission of the counter electrode and / or the damping disk. For a special capacitive transducer so a compromise in the number and arrangements of the perforations can be selected to each other.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen kapazitiven Schallwandler und ein Kondensatormikrophon mit einem solchen Schallwandler. Der Schallwandler umfasst eine Membran (3) und eine in geringem Abstand zu der Membran (3) angeordnete Gegenelektrode (1), die eine erste Perforierung (2) aufweist. Um Eigenschwingungen der Membran (3) bei hohen Frequenzen zu dämpfen, wird ein kapazitiver Schallwandler vorgeschlagen, in dem in geringem Abstand zu der Membran (3) der Gegenelektrode (1) gegenüberliegend eine schalldurchlässige Dämpfungsscheibe (7) angeordnet ist, die eine zweite Perforierung (8) aufweist. Ferner sind dabei die erste Perforierung (2) und die zweite Perforierung zueinander versetzt angeordnet.

Description

Kapazitiver Schallwandler mit perforierter Dämpfungsscheibe
Die Erfindung betrifft einen kapazitiven Schallwandler mit einer Membran und einer in geringem Abstand zu der Membran angeordneten Gegenelektrode, die eine erste Perforierung aufweist. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Kondensatormikrophon mit einem kapazitiven Schallwandler gemäß der Erfindung.
Ein kapazitiver Schallwandler eines Kondensatormikrophons enthält eine durch den Schall bewegte ebene Membran und parallel dazu in geringem Abstand eine perforierte Gegenelektrode. Membran und Gegenelektrode sind elektrisch leitfähig ausgeführt und bilden einen elektrischen Kondensator, dessen Kapazität von der vom Schall verursachten Membranauslenkung abhängig ist. Ein solches Kondensatormikrophon ist beispielsweise aus der DE 19715365 bekannt.
Der luftgefüllte enge Raum zwischen Membran und Gegenelektrode, der sogenannte Luftspalt, wirkt aufgrund der Viskosität der Luft als Reibungswiderstand, der die Membranbewegung hemmt. Dieser Effekt wird zu der Kontrolle der Membranbewegung verwendet. Der Luftspaltwiderstand ist jedoch nicht konstant, sondern hängt vom momentanen Abstand zwischen der Membran und der Gegenelektrode ab. Wenn sich die Membran auf die Gegenelektrode zu bewegt, wird der Luftspalt enger und deshalb der Reibungswiderstand größer, andernfalls kleiner. Daher erzeugt ein Überdruck vor der Membran, der die Membran auf die Gegenelektrode zu bewegt, eine geringere Membranauslenkung als ein gleich großer Unterdruck, der die Membran von der Gegenelektrode fort bewegt. Die Membranbewegung und die dadurch hervorgerufene Kapazitätsänderung ist daher kein lineares Abbild des Schallsignals, sondern sie ist nichtlinear verzerrt.
Das Ausmaß der Nichtlinearität kann verringert werden, indem die Membranaus- lenkung durch geeignete Maßnahmen, beispielsweise durch eine stärkere Luftspaltdämpfung, reduziert wird. Daraus ergeben sich aber nachteilige Effekte, weil die Wandlerempfindlichkeit verringert wird und als Folge davon auch die Rauscheigenschaften des Mikrophons ungünstig beeinflusst werden.
Eine vorteilhaftere Möglichkeit, um die Nichtlinearität der Membranauslenkung zu reduzieren, bietet der sogenannte symmetrische Gegentaktwandler, wie er beispielsweise in der DE 43 07 825 A1 beschrieben ist. Er enthält eine zweite Gegenelektrode mit identischen Eigenschaften wie die erste Gegenelektrode, die so vor der Membran angeordnet ist, dass sich auf beiden Seiten der Membran gleichartige Luftspalte bilden. Die Membranbewegung bewirkt in diesem Fall gegensätzliche Widerstandsänderungen in beiden Luftspalten, die sich gegenseitig kompensieren. Dadurch wird die Membranbewegung linearisiert und die Wandlerverzerrungen werden minimiert.
Üblicherweise wird bei Gegentaktwandlern die Kapazitätsänderung zwischen den beiden Gegenelektroden und der Membran nach dem HF-Prinzip ausgewertet, indem beide Gegenelektroden mit der elektrischen Schaltung des Mikrophons verbunden werden. Der damit verbundene prinzipielle Nachteil, dass die zusätzliche, vor der Membran angeordnete Gegenelektrode unmittelbar der Luftfeuchtigkeit ausgesetzt ist, so dass ihre elektrische Isolation beeinträchtigt werden kann, wirkt sich bei dem HF-Prinzip nicht aus, da dieses Prinzip sehr niedrige elektri- sehe Impedanzen ergibt. Bei Kondensatormikrophonen und Elektretmikrophonen, die nach dem NF- Prinzip arbeiten, würde der elektrische Betrieb der vorderen Gegenelektrode wegen der dann sehr hohen elektrischen Impedanzen zu einer erheblich erhöhten Feuchtigkeitsempfindlichkeit führen. Dieser Nachteil hat der Einführung des Gegentaktprinzips bisher bei diesen Mikrophontypen im Wege gestanden.
Ein weiterer Nachteil der in bekannten Kondensatormikrophonen verwendeten kapazitiven Schallwandler ist, dass die Membran in den Bereichen, die perforierten Bereichen der Gegenelektrode gegenüberliegen, bei hohen Frequenzen partielle Eigenschwingungen ausführt, die zu unerwünschten frequenzabhängi- gen Änderungen der Übertragungseigenschaften des Kondensatormikrophons führen. Die Frequenzen, bei denen partielle Eigenschwingungen auftreten, hängen von der mechanischen Spannung der Membran und von der Größe und Form der Perforierung der Gegenelektrode ab. Sie liegen häufig noch innerhalb des Übertragungsbereichs, also des spezifizierten Arbeitsfrequenzbereichs, und führen zu unerwünschten frequenzabhängigen Änderungen der Übertragungseigenschaften des Kondensatormikrophons.
Dieses unerwünschte Schwingungsverhalten bei hohen Frequenzen kann in den Bereichen der Membran, die den nichtperforierten Bereichen der Gegenelektroden gegenüberliegen, ausreichend unterdrückt werden, wenn der Abstand zwi- sehen der Membran und der Gegenelektrode so gering ausgeführt wird, dass die Viskosität der Luft in dem von der Membran und der Gegenelektrode gebildeten Luftspalt für eine hinreichende Dämpfung der Membranbewegung sorgt. Diese Dämpfung fehlt jedoch in den Membranbereichen, die den perforierten Bereichen der Gegenelektrode gegenüberliegen, so dass dort die unerwünschten Eigen- Schwingungen der Membran nicht unterdrückt werden.
Bei den bekannten Verfahren zur Dämpfung der Membranbewegung, beispielsweise durch eine auf der Rückseite der Gegenelektrode angebrachte poröse Gewebeschicht, lässt sich keine ausreichende Dämpfung der partiellen Eigenschwingungen erreichen, da bei hohen Frequenzen eine hinreichend direkte Einwirkung durch die akustischen Federungseigenschaften der in den perforierten Bereichen der Gegenelektrode eingeschlossenen Luft verhindert wird.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen kapazitiven Schallwandler zur Verfügung zu stellen, der auf einfache Weise die nichtlinearen Verzerrungen und die störenden partiellen Eigenschwingungen der Membran wirksam unterdrückt.
Die Aufgabe wird bei einem kapazitiven Schallwandler der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass in geringem Abstand zu der Membran der Gegenelektrode gegenüberliegend eine schalldurchlässige Dämpfungsscheibe angeordnet ist, die eine zweite Perforierung aufweist, und dass die erste Perforierung und die zweite Perforierung zueinander versetzt angeordnet sind.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass bei einem geringen Abstand zwischen der Dämpfungsscheibe und der Membran die unerwünschten partiellen Membraneigenschwingungen auch in den Bereichen, die den perforierten Bereichen, also den Löchern, der Gegenelektrode gegenüberliegen, durch die Viskosi- tat der zwischen der Membran und der zusätzlichen Dämpfungsscheibe eingeschlossenen Luft wirksam unterdrückt werden. Um diesen Effekt zu nutzen, wird die zweite Perforierung derart versetzt angeordnet, dass perforierte Bereiche der ersten und zweiten Perforierung sich nicht oder nur teilweise überdecken. Dabei können die Perforierungen der Gegenelektrode und Dämpfungsscheibe beliebig gestaltet werden. Das betrifft sowohl die Anordnung der perforierten Bereiche, also der Löcher, als auch ihre Größe, Anzahl und Form.
Grundsätzlich weist jede Membran Moden auf. Die Frequenzen der Moden, bei denen die Membran als Ganzes schwingt, sind so niedrig, dass die zugehörigen Wellenlängen so groß im Vergleich zur Perforierungsstruktur der Gegenelektrode sind, dass hier die Unterbrechungen des Luftspalts in den perforierten Bereichen nur eine graduelle Verminderung der Gesamtdämpfung bewirken. Bei den hohen Frequenzen der Partialmoden sind die Verhältnisse dagegen grundsätzlich anders. Die den perforierten Bereichen der Gegenelektrode gegenüberliegenden Bereiche der Membran sind mit Partialmembranen vergleichbar, die am Perforie- rungsrand eingespannt sind. Die Partialmembranen können im Lochbereich frei und relativ ungedämpft schwingen. Es bleibt lediglich die innere Dämpfung des Membranmaterials und der Einfluss des umgebenden Luftspaltbereichs übrig, der aber kaum über die nur geringe Biegesteifigkeit der Membran in den Lochbereich hineinwirken kann.
Bei der tiefsten partiellen Eigenschwingung (Grundmode) schwingt die Partial- membran in der Mitte am stärksten. Deshalb muss hier der dämpfende Einfluss am größten sein. Erfindungsgemäß wird dies erreicht, indem zumindest der mittlere Bereich der Partialmembran durch mindestens einen Luftspalt bedämpft wird. Im Randbereich der Partialmembran können sich die Perforierungen der Gegenelektrode und der Dämpfungsscheibe teilweise überlappen, ohne dass dadurch der dämpfende Effekt wesentlich beeinträchtigt wird. Als Richtwert für eine ausreichende Bedämpfung kann gelten, dass mindestens die halbe Partial- membranfläche von mindestens einem Luftspalt überdeckt wird.
Weitere Partialschwingungsmoden bei noch höheren Frequenzen sind in der Regel so schwach ausgeprägt, dass sie in diesem Zusammenhang nicht besonders berücksichtigt werden müssen.
Durch die erfindungsgemäße schalldurchlässig perforierte Dämpfungsscheibe werden die übrigen akustischen Eigenschaften des kapazitiven Schallwandlers nur minimal beeinflusst, die Eigenschwingungen der Membran und Verzerrungen der Membranbewegung aber wirksam unterdrückt, was zu einer deutlich verbesserten Übertragungsqualität des Wandlers insbesondere bei hohen Frequenzen führt. Durch die Anordnung der erfindungsgemäßen Dämpfungsscheibe wird eine Dämpfung erreicht, die lokal und unmittelbar in den Bereichen der Membran wirkt, die zu partiellen Eigenschwingungen neigen. Die lokale und unmittelbare Wirkung wird erreicht, indem die Viskosität der zwischen der Membran und der Dämpfungsscheibe befindlichen Luft direkt, also ohne zusätzliche mechanische oder akustische Koppelelemente, zur Dämpfung genutzt wird. Bei hinreichend geringem Abstand zwischen der Membran und der Gegenelektrode einerseits und der Membran und der Dämpfungsscheibe andererseits kann eine ausreichend hohe und möglichst gleichmäßig über die Membran verteilte Dämpfungswirkung auch dann erreicht werden, wenn sich die perforierten Berei- che der Gegenelektrode und der Dämpfungsscheibe teilweise überlappen.
Diese Anordnung ist außerdem besonders vorteilhaft, da die Dämpfungsscheibe bei beliebiger Membranauslenkung für eine gegensinnige Änderung der akustischen Impedanzen in den beiden Luftspalten sorgt, so dass die gesamte akustische Impedanz des erfindungsgemäßen kapazitiven Schallwandlers weniger als bei konventionellen kapazitiven Schallwandlem von der Membranauslenkung abhängt. Dadurch werden auf einfache Art und Weise die Eigenschwingungen der Membran und die nichtlinearen Verzerrungen geschwächt, ohne die übrigen Eigenschaften des kapazitiven Schallwandlers zu beeinträchtigen.
Der erfindungsgemäße kapazitive Schallwandler ermöglicht einen gleichmäßigen Verlauf des Frequenzgangs bei hohen Frequenzen. Der Frequenzgang ist eine der wichtigsten dokumentierbaren Wandlereigenschaften. Eine Verbesserung ist für den Nutzer eines erfindungsgemäßen kapazitiven Schallwandlers sofort ersichtlich und schlägt sich ummittelbar positiv in der Übertragungsqualität nieder.
Die erfindungsgemäße Dämpfungsscheibe erfordert nur eine geringe bauliche Veränderung eines kapazitiven Schallwandlers, wodurch die Dämpfung von störenden Einflüssen auf einfache und kostengünstige Weise ermöglicht wird.
Bevorzugte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen kapazitiven Schallwandlers sind in den Unteransprüchen angegeben.
Vorteilhafterweise sind die erste Perforierung und die zweite Perforierung derart zueinander versetzt, dass perforierten Bereichen, also den Löchern, der Gegenelektrode jeweils nichtperforierte Bereiche der Dämpfungsscheibe gegenüberliegen. Auf diese Weise liegt jedem Bereich der Membran mindestens ein dämpfender Luftspalt gegenüber, der die störenden Eigenschwingungen dämpft. Durch eine solche Anordnung der Perforierungen zueinander wird ein maximaler Dämpfungseffekt der Partialschwingungen erreicht.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind die erste Perforierung und die zweite Perforierung derart zueinander versetzt , dass perforierten Bereichen der Gegenelektrode jeweils ein Teil eines perforierten Bereiches der Dämpfungsscheibe gegenüberliegt. Bei einer solchen Anordnung der Perforierungen zueinander überlappen sich die perforierten Bereiche der Gegenelektrode und der Dämpfungsscheibe teilweise. Es gibt somit Bereiche der Membran, denen kein nichtperforierter Bereich gegenüberliegt. Dies ist besonders vorteilhaft, da dann die perforierten Bereiche der ersten und zweiten Perforierung enger beieinander liegend und in größerer Anzahl angeordnet werden können. Das ist vorteilhaft, weil dadurch die Schalldurchlässigkeit der Gegenelektrode und der Dämpfungsscheibe erhöht und so der Wandlerwirkungsgrad bei den hohen Frequenzen verbessert wird.
Bevorzugt sind die erste Perforierung und die zweite Perforierung derart zueinander versetzt, dass perforierten Bereichen der Gegenelektrode jeweils ein Teil eines ersten perforierten Bereiches der Dämpfungsscheibe und mindestens ein Teil eines zweiten perforierten Bereiches der Dämpfungsscheibe gegenüberliegt. In dieser Ausführungsform wird ein perforierter Bereich der Gegenelektrode von mindestens zwei perforierten Bereichen der Dämpfungsscheibe überlappt. Dies ermöglicht eine erfindungsgemäße Dämpfung auch in dem Fall, in dem eine große Anzahl von perforierten Bereichen der ersten Perforierung vorgesehen ist, zu der eine ebenfalls große Anzahl von perforierten Bereichen der zweiten Perforierung versetzt angeordnet ist.
In einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung ist der Teil eines perforierten Bereiches der Dämpfungsscheibe, der mindestens einem perforierten Bereich der Gegenelektrode gegenüberliegend angeordnet ist, ein Randbereich des perforierten Bereiches der Dämpfungsscheibe. In einer solchen Anordnung überlappen sich die Löcher der Gegenelektrode und der Dämpfungsscheibe teilweise geringfügig in den Randbereichen. Auf diese Weise liegt einem mittle- ren Bereich einer Partialmembran stets mindestens ein nichtperforierter Bereich gegenüber. Eine solche Anordnung ermöglicht einen Kompromiss zwischen einem maximalen Dämpfungseffekt (keine Überlappung der Perforierungen) und dichter Anordnung und/oder große Anzahl von Perforierungen der Gegenelektro- de und der Dämpfungsscheibe (Teile der Perforierungen überlappen).
In einer weiteren Ausgestaltung ist es vorgesehen, dass die zweite Perforierung im wesentlichen gleichartig perforierte Bereiche wie die erste Perforierung aufweist. Auf diese Weise werden die akustischen Eigenschaften der Dämpfungsscheibe an die der Gegenelektrode angeglichen. Beispielsweise sind Größe, Form, Anzahl und Anordnung der perforierten Bereiche, also der Löcher, identisch, so dass sich durch einen entsprechenden Versatzwinkel zwischen der Gegenelektrode und der Dämpfungsscheibe, also durch eine Verdrehung der Dämpfungsscheibe um ihre senkrecht zur Dämpfungsscheibe liegende Rotationsachse gegenüber der Gegenelektrode, eine wirksame Bedämpfung der Membran einerseits und eine für eine verzerrungsarme Membranbewegung günstige Symmetrie andererseits erreichen lässt.
Vorteilhaft ist es, perforierte Bereiche unterschiedlicher Größen innerhalb der ersten und/oder der zweiten Perforierung anzuordnen. Unterschiedliche Lochgrößen ergeben eine entsprechende Verteilung der Partialschwingungsfrequen- zen. Dadurch können die Resonanzeffekte über einen größeren Frequenzbereich verteilt werden, sodass sie nicht bei einer Frequenz konzentriert in Erscheinung treten. Allerdings sind die Partialschwingungen ohne die erfindungsgemäße Anordnung einer Dämpfungsscheibe weiterhin ungedämpft und wirken sich durch störendes Ein- und Ausschwingen nachteilig auf die Übertragungsqualität aus. Deshalb ist es auch in diesem Fall vorteilhaft, die erfindungsgemäße Bedämpfung vorzunehmen.
Die Perforierungen können besonders vorteilhaft rotationssymmetrisch, kreisförmig, in Reihen oder Waben angeordnet werden. Eine Rotationssymmetrie kreisförmiger Lochanordnungen erleichtert die symmetrische Gestaltung der beiden perforierten Scheiben und gestattet es somit in einfacher Weise, akustisch sym- metrische Lösungen mit gleichen Lochanzahlen in akustisch gleichwertigen Bereichen der Gegenelektrode und der Dämpfungsscheibe zu finden. Diese Anordnung ist für die Realisierung eines symmetrischen Gegentaktwandlers besonders vorteilhaft. Die Anordnung der Perforierungen in Reihen oder auch Wabenform ermöglicht besonders vorteilhaft eine gleichmäßigere und engere Struktur der perforierten Bereiche. Dadurch wird eine höhere akustische Durchlässigkeit ermöglicht, die sich insbesondere bei hohen Frequenzen günstig auswirkt.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist die Dämpfungsscheibe als eine zweite Gegenelektrode ausgebildet. Wird eine zusätzliche Gegenelektrode als Dämpfungsscheibe verwendet, übernimmt diese bei erfindungsgemäßer Anordnung ihrer Perforierung die dämpfende Funktion der Dämpfungsscheibe. Auf diese Weise können die Vorteile eines Gegentaktwandlers mit denen der erfindungsgemäßen Dämpfungsscheibe kombiniert werden. Mit der erfindungs- gemäßen versetzten Anordnung der zweiten Perforierung der zweiten Gegenelektrode gegenüber der ersten Perforierung der ersten Gegenelektrode wird es ermöglicht, störende Einflüsse durch Nichtlinearitäten der Membranbewegung und Eigenschwingungen der Membran in einem Gegentaktwandler zu unterdrücken, so dass dieser in hohen Frequenzbereichen deutlich bessere Übertra- gungseigenschaften aufweist, als es mit einem Gegentaktwandler gemäß dem Stand der Technik bisher möglich war. Diese Ausführung ist vorteilhaft zusammen mit dem HF-Prinzip einsetzbar, während sich die Ausführung mit einer Dämpfungsscheibe ohne elektrische Funktion besonders für Kondensatormikrophone eignet, die nach dem NF-Prinzip arbeiten.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Dämpfungsscheibe nicht elektrisch mit dem Schallwandler gekoppelt und es findet keine elektrische Auswertung statt. Auf diese Weise wird ein sehr einfacher Aufbau eines Schallwandlers ermöglicht, welcher nur um die erfindungsgemäße Dämpfungsscheibe ergänzt wird, ohne an dem elektrischen Aufbau des Wandlers Änderungen vor- nehmen zu müssen. Weiterhin ist es bevorzugt, dass der Abstand zwischen der Gegenelektrode und der Membran gleich dem Abstand zwischen der Dämpfungsscheibe und der Membran ist. Durch die symmetrische Anordnung wird erreicht, dass beliebige Membranauslenkungen zu gleichgroßen gegensinnigen Änderungen der akusti- sehen Impedanzen in den beiden Luftspalten führen und die gesamte akustische Impedanz des Schallwandlers konstant bleibt. Dadurch werden sowohl die Eigenschwingungen der Membran als auch die nichtlinearen Verzerrungen des Schallwandlers unterdrückt.
Weiterhin betrifft die Erfindung ein Kondensatormikrophon mit einem Schallwand- ler, wie er in den Ansprüchen 1 bis 11 definiert ist.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Ansicht eines bekannten Kondensatormikrophons mit einem kapazitiven Schallwandler, Fig. 2a eine Draufsicht auf eine Membran bei einem bekannten kapazitiven Schallwandler,
Fig. 2b einen Querschnitt durch eine Membran und eine Gegenelektrode bei einem bekannten kapazitiven Schallwandler,
Fig. 3a eine Draufsicht auf eine Dämpfungsscheibe bei einem erfin- dungsgemäßen kapazitiven Schallwandler gemäß einer ersten
Ausführungsform der Erfindung,
Fig. 3b einen Querschnitt durch eine Dämpfungsscheibe, Membran und Gegenelektrode bei einem erfindungsgemäßen kapazitiven Schallwandler gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfin- düng,
Fig. 4 eine zweite Ausführungsform in einer Draufsicht auf eine Dämpfungsscheibe bei einem erfindungsgemäßenkapazitiven Schallwandler, und Fig. 5 eine dritte Ausführungsform in einer Draufsicht auf eine Dämpfungsscheibe bei einem erfindungsgemäßenkapazitiven Schallwandler.
Fig. 1 zeigt einen Querschnitt durch ein bekanntes Kondensatormikrophon (Elektretmikrophon) mit einem kapazitiven Schallwandler, welches vielfach in identischer oder ähnlicher Weise produziert wird. Innerhalb des mit einer Schalleinlassöffnung 11 versehenen Mikrophongehäuses 13 sind dort folgende Elemente vorgesehen: ein Membranring 12, eine auf dem Membranring 12 aufgeklebte Membran 3, eine Distanzscheibe 4, eine Elektretfolie 15, eine damit verbundene Gegenelektrode 1 , ein Kontaktring 17, ein Isolierteil 18 und eine Platine 19 mit einer darauf angebrachten Schaltungsanordnung 20 (insbesondere mit einem Feldeffekt-Transistor) und mit Anschlusskontakten 21. Der Luftspalt 5 zwischen der Membran 3 und der Elektretfolie 15 bzw. der Gegenelektrode 1 wird dabei definiert durch die Distanzscheibe 4.
Eine solche Konstruktion weist jedoch Nachteile auf, so dass ein solches Kondensatormikrophon sich nicht besonders als hochwertiges Mikrophon eignet. Im Bereich hoher Frequenzen werden Eigenschwingungen der Membran 3 in den Bereichen angeregt, die nicht einem dämpfenden Luftspalt der Gegenelektrode 1 gegenüberliegen. Diese Eigenschwingungen führen zu störenden Einflüssen auf das Übertragungsverhalten des Kondensatormikrophons.
Fig. 2a zeigt in schematischer Darstellung eine Draufsicht auf eine Membran eines kapazitiven Schallwandlers bei einem herkömmlichen Kondensatormikrophon; Fig. 2b zeigt einen Querschnitt des eigentlichen kapazitiven Schallwandlers. Die Membran 3 ist vor der Gegenelektrode 1 mit der Perforierung 2 (gestri- chelt) angeordnet. Die im Luftspalt 5 zwischen der Membran 3 und der Gegenelektrode 1 eingeschlossene Luft bedämpft aufgrund ihrer Viskosität die Membranbewegung. Im Bereich der Perforierung wird die Membran 3 jedoch nicht ausreichend bedämpft, sodass sich hier störende Eigenschwingungen 6 ausbilden können. Fig. 3a und Fig. 3b stellen in Analogie zu Fig. 2a und Fig. 2b die im wesentlichen geänderten Elemente eines kapazitiven Schallwandlers gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung dar. Vor der Membran 3 ist dabei eine zusätzliche Dämpfungsscheibe 7 mit einer Perforierung 8 (nicht gestrichelt) angeordnet. Dabei sind die Perforierungen 2, 8 so versetzt zueinander angeordnet, dass sie sich nirgends überlappen. Eine zur Distanzscheibe 4 ähnlich gestaltete Distanzscheibe 9 bestimmt den Abstand zwischen der Dämpfungsscheibe 7 und der Membran 3. Dadurch wird ein zweiter Luftspalt 10 gebildet. Auf diese Weise wird erreicht, dass die Membran 3 auf ihrer gesamten Fläche durch einen Luftspalt 5 und/oder einen Luftspalt 10, also durch mindestens einen nichtperforierten Bereich, bedämpft wird. So werden die Eigenschwingungen 6 der Membran 3 wirksam unterdrückt.
In der in Fig. 3a und Fig. 3b gezeigten Ausführungsform sind die erste Perforierung 2 und die zweite Perforierung 8 derart versetzt zueinander angeordnet, dass perforierten Bereichen der Gegenelektrode 1 jeweils nichtperforierte Bereiche der Dämpfungsscheibe 7 gegenüberliegen. Die perforierten Bereiche der Dämpfungsscheibe 7 und der Gegenelektrode 1 sind von gleicher Größe und Form, jedoch von unterschiedlicher Anzahl und Anordnung in Reihen.
Fig. 4 zeigt beispielhaft eine zweite erfindungsgemäße Ausführungsform, bei der die Perforierung 8 der Dämpfungsscheibe 7 die Perforierung 2 der Gegenelektrode 1 teilweise überlappt und bei der die Perforierungen 2, 8 in Reihen angeordnet sind. Dabei sind die erste Perforierung 2 und die zweite Perforierung 8 derart versetzt zueinander angeordnet sind, dass perforierten Bereichen der Gegenelektrode 1 jeweils ein Teil eines ersten perforierten Bereiches der Dämp- fungsscheibe 7 und ein Teil eines zweiten perforierten Bereiches der Dämpfungsscheibe 7 gegenüberliegt. Auch in diesem Fall kann eine wirksame Be- dämpfung der Membran 3 erreicht werden, wenn die Überlappung vornehmlich in den Randbereichen der Perforierungen stattfindet, so dass der Membran auch in den perforierten Bereichen der Löcher 2 bzw. 8 ausreichend große dämpfende Flächen der Gegenelektrode 1 bzw. der Dämpfungsscheibe 7, insbesondere in den mittleren Bereichen der Partialmembranen, gegenüberliegen. Fig. 5 zeigt beispielhaft eine dritte mögliche Ausführung mit rotationssymmetrisch angeordneten Perforierungen, bei der sich die Perforierung 8 der Dämpfungsscheibe 7 und die Perforierung 2 der Gegenelektrode 1 nur geringfügig in den Randbereichen überlappen. Die Anzahl der Löcher in der Gegenelektrode 1 und in der Dämpfungsscheibe 7 ist in den hier beispielhaft ausgeführten drei Zonen gleich groß und die akustische Wirkung der Gegenelektrode 1 und der Dämpfungsscheibe 7 folglich gleichartig. Diese Ausführungsform ist besonders geeignet für die Realisierung eines symmetrischen Gegentaktwandlers, der die Vorteile der erfindungsgemäßen Dämpfungsscheibe und eines symmetrischen Gegen- taktwandlers in sich vereint.
In den Figuren 2 bis 5 wurden die Perforierungen stellvertretend durch kreisförmige Löcher mit einheitlichen Lochgrößen dargestellt, die Perforierungen sind aber durchaus mit beliebig anderen Formen und Größen von perforierten Bereichen realisierbar. Weiterhin können die Perforierungen der beiden Scheiben unterschiedlich angeordnet sein und/oder sich in Anzahl und Form voneinander unterscheiden.
Die reihen- und kreisförmigen Lochanordnungen in den Figuren haben ebenfalls nur beispielhafte Bedeutung, auch andere Anordnungen von perforierten Bereichen können eine äquivalente Dämpfung der Eigenschwingungen der Membran bewirken.
Die erfindungsgemäße Dämpfungsscheibe kann sowohl in einem kapazitiven Aufnahmewandler wie auch in einem kapazitiven Wiedergabewandler angeordnet werden. In beiden Schallwandlern wirkt eine Dämpfungsscheibe gemäß der Erfindung dämpfend und verzerrungsmindernd und steigert somit die Signalquali- tat.
Ein maximaler Dämpfungseffekt der Partialschwingungen wird erreicht, wenn einem perforierten Bereich der Gegenelektrode ein nicht perforierter Bereich der Dämpfungsscheibe gegenüberliegt. Überlappen die perforierten Bereiche der Gegenelektrode und der Dämpfungsscheibe, so wird der Dämpfungseffekt der Partialmoden zwar geringer, jedoch können mehr perforierte Bereiche auf der Gegenelektrode und/oder Dämpfungsscheibe untergebracht werden, was die zu einer Erhöhung der Schalldurchlässigkeit der Gegenelektrode und/oder der Dämpfungsscheibe führt. Für einen speziellen kapazitiven Wandler kann also ein Kompromiss in der Anzahl und Anordnungen der Perforierungen zueinander gewählt werden.

Claims

Ansprüche
1. Kapazitiver Schallwandler mit einer Membran (3) und einer in geringem Abstand zu der Membran (3) angeordneten Gegenelektrode (1 ), die eine erste Perforierung (2) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass in geringem Abstand zu der Membran (3) der Gegenelektrode (1) gegenüberliegend eine schalldurchlässige Dämpfungsscheibe (7) angeordnet ist, die eine zweite Perforierung (8) aufweist, und dass die erste Perforierung (2) und die zweite Perforierung (8) zueinander versetzt angeordnet sind.
2. Kapazitiver Schallwandler nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die erste Perforierung (2) und die zweite Perforierung (8) derart versetzt angeordnet sind, dass perforierten Bereichen der Gegenelektrode (1) jeweils nichtperforierte Bereiche der Dämpfungsscheibe (7) gegenüberliegen.
3. Kapazitiver Schallwandler nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die erste Perforierung (2) und die zweite Perforierung (8) derart versetzt angeordnet sind, dass perforierten Bereichen der Gegenelektrode (1) jeweils ein Teil eines perforierten Bereiches der Dämpfungsscheibe (7) gegenüberliegt.
4. Kapazitiver Schallwandler nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die erste Perforierung (2) und die zweite Perforierung (8) derart versetzt angeordnet sind, dass perforierten Bereichen der Gegen- elektrode (1 ) jeweils ein Teil eines ersten perforierten Bereiches der Dämpfungsscheibe (7) und mindestens ein Teil eines zweiten perforierten Bereiches der Dämpfungsscheibe (7) gegenüberliegt.
5. Kapazitiver Schallwandler nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Teil eines perforierten Bereiches der Dämpfungsscheibe (7) ein Randbereich des perforierten Bereiches der Dämpfungsscheibe (7) ist.
6. Kapazitiver Schallwandler nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Perforierung (8) im wesentlichen gleichartig perforierte Bereiche, insbesondere in Form, Größe, Anzahl und Anordnung, wie die erste Perforierung (2) aufweist.
7. Kapazitiver Schallwandler nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass perforierte Bereiche unterschiedlicher Größe innerhalb der ersten Perforierung (2) und/oder der zweiten Perforierung (8) angeordnet sind.
8. Kapazitiver Schallwandler nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die perforierten Bereiche mindestens einer Perfo- rierung (2, 8) in einer Rotationssymmetrie, in Reihen oder in Waben angeordnet sind.
9. Kapazitiver Schallwandler nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dämpfungsscheibe (7) als zusätzliche Gegenelektrode ausgebildet ist.
10. Kapazitiver Schallwandler nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dämpfungsscheibe (7) nicht elektrisch mit dem Schallwandler gekoppelt ist.
11. Kapazitiver Schallwandler nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen der Gegenelektrode (1 ) und der Membran (3) im wesentlichen gleich dem Abstand zwischen der Dämpfungsscheibe (7) und der Membran (3) ist.
12. Kondensatormikrophon mit einem kapazitiven Schallwandler nach einem der vorstehenden Ansprüche.
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