DE2116573A1

DE2116573A1 - Structure-borne noise-compensating microphone

Info

Publication number: DE2116573A1
Application number: DE19712116573
Authority: DE
Inventors: Franz Dipl Ing 5100 Aachen Dernoschek
Original assignee: TN
Current assignee: TN
Priority date: 1971-04-05
Filing date: 1971-04-05
Publication date: 1972-10-19

Description

Körperschallkompensierende Mikrofon Die Erfindung bezieht sich auf ein Mikrofon mit mehreren elektroakustischen Wandlern, die elektrisch so geschaltet sind, daß die in ihnen durch Körperschall-Leitung erzeugten Störspannungen sich im wesentlichen aufheben. Die Wandler arbeiten vorzugsweise nach dem piezoelektrischen und /oder nach dem piezoresistiven Prinzip.Structure-borne noise compensating microphone The invention relates to a microphone with several electroacoustic transducers that are electrically switched are that the interference voltages generated in them by structure-borne noise conduction essentially cancel. The transducers work preferably according to the piezoelectric and / or according to the piezoresistive principle.

Gegenüber den in Telefonhandapparaten gebräuchlichen Kohlemikrofonen haben die piezoelektrischen. Mikrofone zwar die Vorteile höherer Klirrdämpfung, geringeren Rauschens und besserer zeitlichen Konstanz, sie zeigen aber wesentlich höhere Körpersohallempfindlichkeit. Die Gründe liegen einmal in einem Sohwellwerteffekt der Empfindlichkeit der Kohlemikrofone, zum anderen aber in der größeren Steife und Nasse, der im Vergleich zum Kohlemikrofon wesentlich kleineren und dickeren piezoelektrischen Membran. Bei gleicher Sendebezugsdämpfung der beiden Mikrofonsysteme hat das Kohleeystem also wegen seiner höheren Luftschallanregung der großflächigeren und leichteren Membran geringere Körperschallempfindlichkeit.Compared to the carbon microphones commonly used in telephone handsets have the piezoelectric. Microphones have the advantages of higher distortion attenuation, lower noise and better temporal constancy, but they show significantly higher sensitivity to body reverberation. On the one hand, the reasons lie in a so-called threshold value effect the sensitivity of the carbon microphones, but on the other hand in the greater rigidity and Nasse, which is much smaller and thicker than the carbon microphone piezoelectric membrane. With the same transmission reference attenuation of the two microphone systems Because of its higher airborne sound excitation, the coal system has the larger one and a lighter membrane, less sensitivity to structure-borne noise.

Die Nachteile der Körperschallübertragung zeigen sich z. B.The disadvantages of the transmission of structure-borne noise can be seen in z. B.

in der verstärkten Geräuschwiedergabe bei Bewegung der TTandaT)parateschnur oder in dem ückkopplungspfeifen bei Lautsprechapparaten beim fernen Teilnehmer, wenn durch Körperschallübertragung vom Telefon über den Handapparat zum Mikrofon die akustische Dämpfung zu klein ist.in the amplified sound reproduction when moving the TTandaT) ready-to-use cord or in the feedback whistling with loudspeakers at the distant participant, if by structure-borne sound transmission from the telephone via the handset to the microphone the acoustic attenuation is too small.

Es sind verschiedene Maßnahmen, die Körperschallübertragung in Telefonhandapparaten herabzusetzen. So ist es wirkungsvoll, das Mikrofon mit erhöhter Masse auszuführen und im Handapparat weich und elastisch zu lagern. Diese mechanischen Mittel reichen jedoch oft nicht aus.There are various measures for the transmission of structure-borne sound in telephone handsets to belittle. It is thus effective to make the microphone larger in size and to be stored soft and elastic in the handset. These mechanical However, funds are often not enough.

Weiterhin sind Kompensationsmikrofone bekannt, deren Zweck es zumeist ist, bei Nahbesrechung den Raumschall vermindert aufzunehmen. So zeigt die deutsche Auslegeschrift 1 114 539 Fig. 7 und 8 eine Mikrofonanordnung, die zwei einzelne Wandler und zwei Finsprechöffnungen besitzt.Compensation microphones are also known, the purpose of which is mostly is to pick up the room noise at a reduced level when viewing at close range. So shows the German Auslegeschrift 1 114 539 Fig. 7 and 8 a microphone arrangement, the two individual Has transducer and two fin-speaking openings.

Von der einen Einsprechöffnung führen Kanülen den Raumschall zur Vorderseite der einen und Rückseite der anderen Wandlermembran und von der anderen Einßprechöffnung Kanülen zur Rückseite der einen und Vorderseite der anderen Wandlermembran. nie von den beiden Wandlern erzeugten Mikrofonspannungen sind elektrisch eo entgegengeschaltet, daß sie sich für den Raumschall aufheben, für den BTutzschall jedoch, der möglichst nur der einen Einsprechöffnung zugeführt werden soll, addieren.From one of the opening, cannulas guide the room sound to the front one and the back of the other transducer membrane and the other injection port Cannulas to the back of one and the front of the other transducer membrane. never Microphone voltages generated by the two converters are electrically connected in opposition, that they cancel each other out for room sound, but as far as possible for the protective sound add only to the one opening.

Diese Mikrofonanordnung würde einen aus der gleichen Richtung auf beide Membranen auftreffenden Körperschall wie den Nutzechall verstärkt wiedergeben und nicht wie den Raumsohall kompensieren. Schon die Aufgabenstellung dieser Auslegeschrift weicht also von der der Erfindung ab.This microphone arrangement would pick you up from the same direction Both diaphragms reproduce structure-borne sound impacting like the useful sound and do not compensate like the room hall. Already the task of this interpretative document so differs from that of the invention.

Die vorliegende Erfindung stellt sich demgegenüber die Aufgabe, in einem mehrere Wandlerelemente enthaltenden Mikrofon den Körperschall zu kompensieren und löst die Aufgabe dadurch, daß die randlerelemente körperschallleitfähig so miteinander verbunden sind, daß sie bei gemeinsamer Erregung durch Körperschall Spannungen erzeugen, die sich durch Gegenschaltung im wesentlichen kompensieren und daß jedes Wandlerelement bei gemeinsamer Erregung durch Nutzschall den Nutzschall aus der Richtung zugeführt erhält, daß die erzeugten Spannungen sich im wesentlichen addieren.In contrast, the present invention addresses the problem of in a microphone containing a plurality of transducer elements to compensate for the structure-borne noise and solves the problem in that the randler elements conduct sound-borne sound with one another that they generate tensions through structure-borne noise when they are excited together, which essentially compensate each other through counter-connection and that each transducer element in the case of joint excitation by useful sound, the useful sound is supplied from the direction receives that the voltages generated essentially add up.

Vorteilhafterweise bestehen die Wandlerelemente aus piezoelektrischen Kreisplatten, die in einem zylindrischen Gehäuse in einem Abstand koaxial eingebaut sind. Dem Rsum zwischen den beiden Kreisplatten wird durch Löcher der Nutzschall zugeführt, so daß sich die Platten gleichphasir nach außen und innen bewegen.The transducer elements are advantageously composed of piezoelectric ones Circular plates installed coaxially in a cylindrical housing at a distance are. The rsum between the two circular plates becomes the useful sound through holes so that the plates move in phase outwards and inwards.

In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform des Erfindungsgedankens bestehen die Wandlerelemente aus Membrankalotten, die - mit niezoelektrischen und/oder piezoresistiven Schichten versehen - auf einer Ereisplatte aufgeklebt sind, wobei den konvexen Seiten der Kalotten der Nutzechall gleichphasig zugeführt wird.In a particularly advantageous embodiment of the inventive concept the transducer elements consist of diaphragm domes, which - with niezoelectric and / or Piezoresistive layers provided - are glued to a sheet of rice, whereby the convex sides of the domes of the useful echo is fed in phase.

Hierbei sind die jeweils nicht beaufschlagten Membranrückseiten akustisch dicht durch Hohlräume verschlossen.In this case, the membrane backs that are not acted upon are acoustical tightly closed by cavities.

In einer weiteren Ausbildung der Erfindung sind die aktiven Schichten der piezoelektrischen und/oder piezoresistiven Wandler nach dem Aufdampfverfahren auf eine Aluminium-Membran aufgebracht und mit Kontaktschichten versehen.In a further embodiment of the invention, the active layers are the piezoelectric and / or piezoresistive transducer using the vapor deposition process applied to an aluminum membrane and provided with contact layers.

Weitere Ausbildungsformen der Erfindung ergeben sich aue der Beschreibung und der Zeichnung; diese zeigt in Fig. 1 einen axialen Schnitt durch ein zylindrisches Mikrofongehäuse mit zwei Wandler-Kreisplatten, Fig. 2 den Schnitt durch die beiden bilaminaren piezoalektrischen Kreieplatten nach Fig. 1 mit Angabe der Pormierungsrichtungen und elektrischen Verbindungen, Fig. 3 einen Schritt durch ein Nikrofon mit zwei kalottenförmigen Wandlerelementen, die von außen beschallt werden.Further forms of embodiment of the invention emerge from the description and the drawing; this shows in Fig. 1 an axial section through a cylindrical Microphone housing with two transducer circular plates, Fig. 2 the section through the two bilaminar piezoelectric circular plates according to FIG. 1 with indication of the direction of formation and electrical connections, Fig. 3 a step through a Nikrofon with two Dome-shaped transducer elements that are exposed to sound from the outside.

Die Ausführungsform nach Fig. 1 stellt ein zylindrisches, oben geschlossenes Gehause 1 dar, dn.s mit dem Deckel 2 verschlossen ist. Zwischen den Tralterungsringen 3 und 4 befinden sich die beiden kreisplattenförmigen Wandlerelemente 5. durch die Bohrungen 6 im Gehäuseteil 1 und den Ring 4 zwischen den beiden Kreisplatten 5 wird der Nutzschall derart zugeführt, daß die beiden Innenseiten der Wandlerelemente gleichphasig erregt werden; die beiden Außenseiten sind durch die Hohlräume 11 abgeschlossen.The embodiment according to FIG. 1 represents a cylindrical, closed at the top Housing 1 represents, dn.s is closed with the cover 2. Between the rings of aging 3 and 4 are the two circular plate-shaped transducer elements 5. through the bores 6 in the housing part 1 and the ring 4 between the two circular plates 5 the useful sound is fed in such a way that the two inner sides of the transducer elements are excited in phase; the two outer sides are closed off by the cavities 11.

In Fig. 2 ist durch einen vergrößerten Schnitt durch die beiden bilaminaren piezoelektrischen Wandlerelemente mit Pfeilen dargestellt, in welche Richtung die einzelnen Keramikplatten aus z. B. Bariumtitanat elektrisch formiert wurden. Bekanntlich treten -bei Durchbiegung der Platten auf grund der akustischen Beschallung radiale Drücke und Züge auf, die sich wiederum als Drücke und Züge auf die Dicke der einzelnen piezoelektrischen Platten auswirken.In Fig. 2 is an enlarged section through the two bilaminar Piezoelectric transducer elements shown with arrows, in which direction the individual ceramic plates from z. B. barium titanate were electrically formed. As is well known occur radially when the panels bend due to the acoustic irradiation Pressures and pulls on, which in turn appear as pressures and pulls on the thickness of each piezoelectric plates.

Diese Dickeschwankungen der Platten sind die Ursache für die an den elektrisch le-itenden Plattenbelägen 10 (in der Zeichnung schwarz hervorgehoben) auftretenden, in, ihrer Polarität wechselnden Spannungen. Damit die Teilspannungen des aus zwei Platten zusammengeklebten Wandlerelemente. sich addieren, wenn in der einen Platte ein Druck und in der anderen ein Zug auftritt, müssen die beiden Platten eines Wandlers wie in Pig. 2 dargestellt, entgegen, gesetzt polarisiert sein. Zur Erklärung der Polarisation sei lediglich bemerkt, daß es sich um die Parallelstellung der elementaren Dipole unter Anlegung eines etwa 3000 V-Gleichsnannungsfeldes in Pfeilrichtung und ErwSrmung des polykristallinen keramischen Werkstoffes handelt.These fluctuations in the thickness of the panels are the cause of the electrically conductive paving 10 (highlighted in black in the drawing) occurring, in, their polarity changing voltages. So that the partial stresses of the transducer elements glued together from two plates. add up if in the one plate a pressure and in the other a tension occurs, the two plates must of a converter like in Pig. 2 shown, opposite, polarized opposite. To the Explanation of the polarization should only be noted that it is the parallel position of the elementary dipoles with the application of an approximately 3000 V DC field in Direction of the arrow and heating of the polycrystalline ceramic material.

Wird gemäß Fig. 1 der Schalldruck zwischen den Wandlerelementen zugeführt, so biegt in Fig. 2 das obere Element bei der einen Schalldruck-Halbwelle mit dem rechten abgebrochen dargestellten Ende beispielsweise nach oben, während gleichzeitig dna untere mit dem entsprechenden Ende nacli unten biegt. Um die von den gleichartigen Wandlerelementen erzeugten gleichen Spannungen in Serie zu schalten, müssen die von den Plattenbelegungen 10 ausgehenden Anschlußleitungen wie dargestellt gekreuzt zu dem Mikrofonanschluß geführt werden. Die leitende Verbindung an der Klebstelle zwischen den beiden Platten eines Wandlers ist üblicherweise nicht herausgeführt. Es liegt im Rahmen der Erfindung, die Anschleisse in anderer Weise, z.B. iiber Brücken und Übertrager Uu verbinden oder die Plattenspannungen zwecke besserer Anpassung an niederohmigere Innenwiderstände der angeschlossenen Gerste nicht in Serie sondern parallel zu schalten.If the sound pressure is fed between the transducer elements according to FIG. 1, so in Fig. 2 the upper element bends with the one sound pressure half-wave right end shown aborted, for example, upwards while at the same time dna bends lower with the corresponding end nacli below. To those of the same kind To connect converter elements generated the same voltages in series, the from the plate assignments 10 outgoing connecting lines crossed as shown to the microphone connector be guided. The conductive connection at the joint between the two plates of a transducer is usually not led out. It is within the scope of the invention to use a different way of connecting the e.g. connect Uu via bridges and transformers or the plate voltages for purposes Better adaptation to the lower internal resistances of the connected barley not to be connected in series but in parallel.

Die Kompensation der durch Körperschall erzeugten Spannungen an den beiden Wandlerelementen sei anhand der Pig. 1 wie folgt erklärt: Während der Nutzschall durch die Löcher 6 eintretend die Innenseiten der beiden Wandlerelemente 5 gleichphasig erregt, wodurch - wie oben beschrieben - sich die Teilspannungen der Wandlerelemente an den Anschlußklemmen addieren, trifft der Körperschall das eine Wandlerelement von der Innenseite, des andere von der Außenseite. Die von den Wandlerelementen erzeugten Spannungen sind zwar gleich groß, aber gegenphasig und an den Anschlußklemmen 7 heben sie sich aufgrund der elektrischen Schaltung auf. Liegt die Körperschallquelle beispielsweise unterhalb des in Fig. 1 dargestellten Mikrofons, dann überträgt das-Gehäuse 1 auf das untere Wandlerelement 5 den Körperschall von der Seite der unteren Kemmer 11 her und auf das obere Wandlerelement 5 von der Seite der mittleren Kammer mit den Löchern 6 her. Diese verschiedene Phasenlage der Nutz- und Körperschallspannungen begrilndet im ersten Fall die Addition und im zweiten Fall die Kompensation der Spannungen der Einzelelemente.The compensation of the stresses generated by structure-borne noise on the both transducer elements is based on the Pig. 1 explained as follows: During the useful sound entering through the holes 6, the insides of the two transducer elements 5 are in phase excited, whereby - as described above - the partial voltages of the transducer elements add at the terminals, the structure-borne sound hits the one transducer element from the inside, the other from the outside. The ones from the transducer elements The voltages generated are of the same size, but in phase opposition and at the terminals 7 they cancel each other out due to the electrical circuit. Is the source of structure-borne noise for example below the microphone shown in Fig. 1, then transmits the housing 1 to the lower transducer element 5 the structure-borne noise from the side of the lower Kemmer 11 and onto the upper transducer element 5 from the side of the middle chamber the holes 6. These different phase positions of the useful and structure-borne noise voltages establishes the addition in the first case and the compensation of the in the second case Tensions of the individual elements.

In Fi. 3 ind die beiden runden Wandlerelemente 9 durch Kalottenmembranen ausgebildet und mit der Kreissoheibe 8 akuntisch dicht verklebt. Bei dieser Ausffthrung der Erfindung wird der Nutzschall gleichphasig nicht den Innensondern den Außenseiten der Wandlerelemente 9 zugeführt.In Fi. 3 and the two round transducer elements 9 by means of spherical diaphragms formed and glued to the Kreissoheibe 8 akuntisch tight. In this version According to the invention, the useful sound is in phase not the inside but the outside the transducer elements 9 supplied.

In diesem Fall liegen die Luftkissen der geschlossenen Kammern 11 an der Kreisscheibe 8.In this case, the air cushions of the closed chambers 11 are located on the circular disc 8.

Während die piezoelektrischen. Spannungen in den Figuren 1 und 2 durch piezokeramische Scheiben erzeugt erden, ist das aktive niezoelektrische oder piezoresistive Material in Fig. 3 auf dünne Metallmembranen 9 aufgedamnft. Als Aufdampfmaterialien werden in der Literatur z.B. Selen, Tellur, Gallium- oder Indiumantimonid, oder gemäß DBP 1 226 647 Selen mit eine Sperrschicht bildendem Kadmium angegeben. Zur Kontaktierung, von der in Fig. 3 lediglich die Lötanschlüsse in Form schwarzer Helbkreiseangedeutet sind, eignet sich z.P. Wismut.While the piezoelectric. Tensions in Figures 1 and 2 through Earth generated by piezoceramic disks is the active niezoelectric or piezoresistive Material in FIG. 3 is vaporized onto thin metal membranes 9. As vapor deposition materials e.g. selenium, tellurium, gallium or indium antimonide, or according to DBP 1 226 647 selenium with a barrier layer-forming cadmium indicated. To the Contacting, of which only the soldering connections are indicated in FIG. 3 in the form of black semicircles are suitable e.g. Bismuth.

Es liegt im Rahmen der Erfindung, die Metallmembranen nur innen, nur, außen oder beidseitig zu bedampfen und diesen Ausführungen entsprechend die Beläge 10 zu verschalten.It is within the scope of the invention, the metal membranes only inside, only, to be vaporized on the outside or on both sides and the coverings accordingly 10 to interconnect.

Bei elektroresistiven Materialien ist, es zweckmäßig, den Anschlüssen 7 eine Gleichspannung zuzuschalten. Wichtig ist, daß die erzeugten Spannungen bzw. die bei piezoresistiven Materialien erzeugten Widerstandsschwankungen möglichst gleich sind und daß sie sich erfindungsgemäß bei aus zwei-Richtungen eintreffendem Nutzschall addieren und bei aus einer Riohtung eintreffendem Körperschall kompensieren.In the case of electroresistive materials, it is advisable to use the connections 7 to switch on a DC voltage. It is important that the generated voltages or the resistance fluctuations generated in piezoresistive materials, if possible are the same and that, according to the invention, they occur when arriving from two directions Add useful sound and compensate for structure-borne sound arriving from a direction.

Bei der Ausführung nach Fig; 3 ist die körperschalleitende Verbindung zwischen beide-n Wandlerelementen in Form der KreisDlatte 8 besonders eutt der iiber die möglichst weiche Befestigung dieser Platte im Handapparatgehäuse und die möglichst litzenförmigen Rnschlußdrähte-iibertragene Körperschall wird gleichmäßig an beide Membranen weitergeleitet.In the embodiment according to Fig; 3 is the body-sound conductive connection between the two-n transducer elements in the form of the circular bar 8, especially the over the softest possible attachment of this plate in the handset housing and the possible Structure-borne sound transmitted through stranded connecting wires is transmitted evenly to both Diaphragms passed on.

Als vorteilhaft erweist sich auch die geringe Masse der bedampften Membran, wodurch die Körperschallempfindlichkeit des Mikrofons weiter herabgesetzt wird.The low mass of the vaporized has also proven to be advantageous Membrane, which further reduces the microphone's sensitivity to structure-borne noise will.

Claims

P a t e n t a n s p r ii c h e

1. Body scale compensating microphone, especially piezoelectric Microphone whose at least two similar transducer elements are so electrical are connected to each other that the output voltages generated by useful sound substantially support each other, characterized in that the transducer elements (5, 9) are connected to one another so that they are conductive to structural sound, deß when they are shared Excitation through structure-borne noise generates tensions that result from counter-switching in the substantially compensate and that each transducer element (5, 9) with common excitation by useful sound, the useful sound is supplied from the direction that the generated Tensions essentially add up.

2. Microphone according to claim 1, characterized in that the transducer elements designed as bilaminar piezoelectric circular plates (5) and in a cylindrical Housing (1) are arranged coaxially at a distance from one another that the useful sound through holes (6) in the cylindrical housing (1) in this way between the circular plates (-5) is introduced that they move outwards and inwards in phase and that the sum of the electrical voltages generated due to the piezoelectric Polarization of the circular plates (5) and the interconnection of their linings (10) arise.

3. Microphone according to claim 1, characterized in that the converter elements (9) as diaphragm domes with piezoelectric and / or piezoresistive layers (9) are executed, dip - preferably on a heavy circular plate opposite them (8) acoustically serves glued on - in phase with from their convex sides the useful sound are applied.

4. Microphone according to claim 1 to 3, characterized in that the Rear sides of the transducer elements (5, 9) that are not exposed to useful sound acoustically tight cavities (11) are closed.

5. Microphone according to claim 1 to 4, characterized in that the Microphone artificially weighted, softly supported with structure-borne sound-absorbing material and is electrically connected via flexible strands.

6. Microphone according to claim 3, characterized in that the piezoelectric and / or piezoresistive layers and their contact layers (10) are vapor-deposited are.

7. Microphone according to claim 2, 3 and 6, characterized in that the piezoelectric layers by a high electric field under simultaneous Warming are formed.

8. Microphone according to claim 3 and 6, characterized in that the active layers of the transducer elements (9) are supported by aluminum membranes.