DE623184C - Als Druckdifferenzempfaenger wirkendes Mikrophon mit Baendchen oder einer aehnlichen leichten Membran - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Mikrophon. Mehrere Ausführungsbeispiele sind in _ den Zeichnungen dargestellt.

Abb. ι bis 4 zeigen die erste Ausführungsform,

Abb. 5 bis 8 die zweite Ausführungsform; Abb. 9 zeigt die dritte Ausführungsform;

Abb. 10 zeigt schematisch das Gerät im Schnitt und dient zur Erklärung seiner Wirkungsweise;

Abb. 11 zeigt Kennlinien des Gerätes bei verschiedenen Schallwänden;

Abb. 12 ist eine andere schematische Darstellung eines Gerätes .gemäß der Erfindung; Abb. 13 und 14 sind Polardiagramme, die die Richteigenschaften des Gerätes erkennen lassen;

Abb. 15 und 16 zeigen eine weitere Ausführungsform des Gerätes.

Bei der ersten Ausführungsform ist 1 ein Aluminiumbändchen, das in den Rahmen 2 und 3 eingespannt ist und an das die Leitungen 4 und 5 angeschlossen sind. Das Bändchen wird an seinen Enden so von den Rahmen 2 und 3 gehalten, daß es sich nicht unter Spannung befindet, so daß seine Eigenschwingung unterhalb der Hörgrenze und zweckmäßig bei etwa 10 Hz liegt. Es dehnt sich zwischen zwei Polschuhen 6 und 7 aus, welche an den Schenkeln 8 und 9 befestigt sind, derart, daß die Teile 6 bis 9 mit einem Verbindungsteil 10 einen magnetischen Kreis bilden, der sich über die Luftstrecke 12 zwischen den Polschuhen schließt. Um den Teil 10 ist eine Spule 11 herumgelegt.

In dem Luftspalt 12 befindet sich ein starkes magnetisches Feld. In diesem Feld ist das Bändchen 1 so angeordnet, daß seine Flächen parallel zu den Kraftlinien liegen, wobei seine Kanten von den Innenkanten der Polschuhe gerade so viel Abstand haben, daß eine reibende Berührung vermieden wird·.

Wenn das Bändchen sich infolge der Druckänderungen in dem Luftspalt bewegt, schneidet es die Kraftlinien im magnetischen Feld, wodurch eine EMK hervorgerufen wird, die der Bewegung des Bändchens proportional ist und durch die Leitungen 4 und 5 auf einen Verstärker weitergeleitet wird.

Die Teile 6 bis 9 bilden eine Schallwand, die den kürzesten Schallwellenweg zwischen den gegenüberliegenden Seiten des Bändchens vergrößert, und zwar regelt die Länge dieses Weges die Art der Frequenzabhängigkeit des Gerätes, wie später ausgeführt wird. An den Enden, des Bändchens sind die Wege zwi-

sehen seinen gegenüberliegenden Seiten, die um die Rahmenstücke'2 und 3 herumgehen, nicht so lang wie die Wege um die Polschuhe und die Schenkel 8 und 9. Diese kürzeren Wege am unteren Ende des Bändchens haben einen gewissen Einfluß auf die Frequenzabhängigkeit, der aber verhältnismäßig klein ist, da sie nur für einen verhältnismäßig kleinen Teil des Bandes kürzere Schallwege bieten. Am oberen Ende des Bandes sind die kürzeren Wege durch die Spule 11 so verschmälert, daß sie für den Hindurchtritt der Schallwelle einen hohen Widerstand darstellen.

Das soeben beschriebene Bändchen besteht aus einem dünnen.biegsamen Werkstoff und besitzt eine kleine Masse. Das. Band ist vorteilhaft möglichst schlaff aufgehängt. Im allgemeinen genügt es, das Bändchen verhältnisao mäßig leicht zu machen, jedoch ist es in manchen Fällen auch erwünscht, eine größere Stärke zu wählen, um mit Schallwänden bestimmter Größe maximalen Wirkungsgrad zu erhalten. Größte Empfindlichkeit kann man dadurch erhalten, daß man die Dicke des Bändchens so ändert, daß sein elektrischer Widerstand so klein wie· möglich ist, während man gleichzeitig seinen Massenwiderstand in der Größenordnung des von der Luft herrührenden Belastungswiderstandes hält. Je nach dem Frequenzbereich, für den die Mikrophone bestimmt sind, verwendet man Schallwände verschiedener Größe. Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 4 haben die Rahmenteile eine etwas andere Form als die entsprechenden Teile 2 und 3 in Abb. 1 und 2. Zweckmäßig besteht eines dieser Teile aus leitendem Werkstoff, jedoch sollen beide Teile aus nichtmagnetischem Stoff, wie Kupfer oder Messing, hergestellt sein.

Bei der Ausführungsform gemäß Abb. S liegt das Bändchen 21 in der Luftstrecke 32 zwischen den Polschuhen 26 und 27, die mit den Schenkeln 28, 29 durch kleine magnetische Stäbe 33 verbunden sind. Diese Stäbe sind in gewissen Abständen angeordnet und ergeben so die Zwischenräume 34, durch die aich die Schallwege von der Vorder- zur Rückseite des Bändchens schließen. Im übrigen ist das Bändchen so wie bei der ersten Ausführungsform ausgebildet. Es wird von den Rahmen 22 und 23 gehalten und ist an die Leitungen 24 und 25 angeschlossen. Das Magnetsystem wird durch zwei Spulen 35 und 36 erregt, die auf den Schenkeln 28 und 29 liegen.

Die Polschuhe 26 und 27 sind etwas kleiner als die Polschuhe 6 und 7 der Ausführungsform gemäß Abb. 1. Aus diesem Grunde und wegen der öffnungen 34 zwischen den Stäben ist die Länge des kürzesten Schallweges zwischen den beiden Seiten des Bändchens beträchtlich geringer als bei der Ausführungsform nach Abb. 1. Die Schenkel 28 und 29 verjüngen sich nach den Enden 37 zu, damit das Schallfeld möglichst wenig gestört wird. Die Polschuhe 26 und 27 verjüngen sich nach dem Luftspalt 32 zu zwecks Vergrößerung der Flußdichte (Abb. 7).

Bei der Ausführungsform gemäß Abb. 9 verjüngen sich die Schenkel nicht nach den Enden zu. Ferner ist nur eine Spule zur Erzeugung des magnetischen Flusses vorgesehen.

Abb. 10 zeigt im Schnitt schematisch ein Mikrophon gemäß der Erfindung. Die Wirkungsweise des Mikrophons ist folgendermaßen zu erklären:

In einem bestimmten Augenblick herrsche in einem Punkte im Raum bei Auftreffen einer von der Schallquelle 44 kommenden Welle der Schalldruck p. Bei Einführung einer hinreichend großen starren Wand durch diesen Punkt senkrecht zur Schallrichtung herrscht im Punkt A unmittelbar vor der Wand bekannterweise infolge Reflexion der Druck 2". In dem hinter der Wand an gleicher Stelle liegenden Punkt B herrscht der Druck Null.

Zum Antrieb der Membran in einer Schallwand steht die Schalldruckdifferenz vor und hinter der genannten Wand zur Verfügung, im Falle einer genügend großen Schallwand also der Druck 2^p. Würde die Schallwand und die Membran im Verhältnis zur Wellenlänge des Schalles' selbst sehr klein werden, so würde eine merkliche Störung des Schallfeldes "nicht stattfinden. Der Druck vor und hinter der Wand wäre gleich^, die Druckdifferenz zum Antrieb also gleich Null. Alle praktisch ausführbaren Fälle liegen zwischen den beiden geschilderten Grenzen.

Der Druck auf der Rückseite der Wand wird nun nicht nur durch die unmittelbar von der Schallquelle kommenden ebenen oder kugelförmigen Wellen erzeugt, sondern durch Beugungs- und Reflexionserscheinungen an der Schallwand mitbestimmt. Bei fehlender Wand herrscht unmittelbar vor dem betrachteten Punkt und unmittelbar hinter diesem tio die gleiche Phase. Bei endlicher W⁷and ist dies nicht mehr der Fall.

Es treten Maxima der Druckdifferenz beim Vorhandensein der Wände dann auf, wenn, gleiche Druckamplitude vorausgesetzt, der Phasenwinkel zwischen den Drücken auf der Vorderseite und denen auf der Rückseite ungerade Vielfache von π beträgt. Entsprechend treten Minima bei geraden Vielfachen von π auf. Hierbei ist vorausgesetzt, daß die Schallwand gegenüber der Wellenlänge der höchsten zu übertragenden Frequenz groß ist,

so daß bei Änderung der Frequenz eine mehr oder weniger große Zahl von Druckdifferenzmaxima oder -minima auftreten, welche sich bei der Aufnahme als Störungen in dem zu übertragenden Frequenzband bemerkbar machen.

Sollen die durch die Phasendifferenz auftretenden störenden Maxima und Minima der Druckdifferenz außerhalb des zu übertragenden Frequenzbereiches liegen, so darf die Differenz der Schallwege von der Quelle 44 zum Punkt A und von der Quelle 44 zum Punkt B von der Größenordnung nur einer halben Wellenlänge der höchsten zu übertragenden Frequenz sein. In diesem Fall wird dann bei der höchsten Frequenz nur eine Phasenverschiebung des Druckes zwischen der Vorder- und Rückseite der Wand von der Größe π erreicht, bei tieferen Frequenzen eine entsprechend geringere.

Bei den bisherigen Mikrophonausführungen ist dies nicht berücksichtigt worden. Es werden daher gemäß der Erfindung bei als Druckdifferenzempfänger arbeitenden Mikrophonen die die Schallwand bildenden Teile derart ausgebildet, daß der kürzeste Schallweg von der Vorderseite bis zur Rückseite der Membran etwa eine halbe Wellenlänge beträgt.

Bei Bändchenmikrophonen werden an den Luftspalt angrenzende Teile des Magnetsystems, welche gleichzeitig die Schallwand bilden, in Richtung des Kraftflusses möglichst schmal ausgeführt, oder aber es werden die Polschuhe gitterartig ausgebildet, so daß möglichst kleine Weglängen zwischen der Vorderseite und der Rückseite des Bändchens erreicht werden können. Bei anderen auch als Druckdifferenzempfänger arbeitenden Mikrophonen wird durch entsprechende Formgebung der Haltemittel der Membran eine möglichst kurze Weglänge zwischen den beiden Membranseiten erzielt.

Mit den Mikrophonen, die gemäß der Erfindung aufgebaut sind, wird bei einer verhältnismäßig hohen allgemeinen Ansprechempfindlichkeit auch gleichzeitig eine weitgehende Gleichmäßigkeit im ganzen zu übertragenden Frequenzbereich erreicht.

Durch Versuche hat sich herausgestellt, daß die Weglänge von der Vorderseite bis zur Rückseite der Membran nicht unbedingt eine halbe Wellenlänge der höchsten zu übertragenden Frequenzen betragen muß, sondern daß Abweichungen bis zu etwa einer Wellenlänge zugelassen werden können, ohne daß tier Frequenzbereich des Mikrophones störend beeinflußt wird. Dies rührt daher, daß von der Membran des Mikrophones Schallwellen, die auf die eine Seite der Membran auftreffen, infolge von Reflexion auch auf die andere Seite der Membranoberfläche gelangen.

In Abb. 10 ist die Schallquelle 44 in einer gewissen Entfernung von der Membran 41 in der Schallwand 42, 43 dargestellt. Die auf die Membran auftreffenden Schallwellen erzeugen im Punkt A einen Druck p, der größer ist als im freien Schallfeld, und mittelbar in Punkt B einen Schalldruck durch Beugung. Die Phasenlage des Schalldruckes, bezogen auf den Druck in Punkt A, ändert sich längs der Schallwand.

Bei der Ausführungsform gemäß Abb. 1 sind die Polschuhe 6 und 7 und die Schenkel 8 und 9 so bemessen, daß der Schallwellenweg zwischen den gegenüberliegenden Flächen des ßändchens gleich einer halben Wellenlänge bei einer Frequenz von 6000 Hz ist. Die Länge des Weges von. der einen Seite des Bändchens um einen Polschuh nebst Schenkel herum nach der anderen Seite ist 3,5 cm; infolgedessen wird das Mikrophon bis etwa 6000 Hz gleichmäßig und gut ansprechen.

Für höhere Grenzfrequenzen eignet sich die Ausführungsform gemäß Abb. 5, bei welcher die Luftwege etwas kürzer sind (1,8 cm), infolgedessen das gleichmäßige Ansprechen bis 10 000 Hz reicht.

Abb. 11 zeigt Kurven für verschiedene Schallwände, und zwar sind die Abszissen die Frequenzen und die Ordinaten die Spannungen in Millivolt. Die Kurven 51, 52 und 53 gelten für Schallwände von 20, 7,5 und 2,5 cm.

Diese Kurven zeigen, daß bei tiefen Frequenzen die Empfindlichkeit um so größer ist. je größer die Abmessungen der Schallwände sind. Nach den hohen Frequenzen zu fallen die Empfindlichkeitskurven ab, und zwar so, daß bei der Frequenz, deren Wellenlänge etwa gleich dem Schallwanddurchmesser ist, der Abfall bereits fühlbar ist. Der Abfall geht schließlich so stark vor sich, daß sogar die zunächst tiefer liegenden Kur-ven unterschnitten werden. Eine Vergrößerung der Schallwände bedeutet also eine Verbesserung der Empfindlichkeit unterhalb einer gewissen Frequenz. Eine Verkleinerung der Schallwände dagegen bedeutet Erhöhung der Emp- no findlichkeit im oberen Frequenzbereich. Die Kurven zeigen weiterhin, daß aber mit kleiner werdender Schallwand ein gleichmäßigerer Frequenzgang über den ganzen Übertragungsbereich erzielt wird.

Es hat sich ferner ergeben, daß ein Körper, wie eben beschrieben, starke Richteigenschaften hat. Wenn eine Schallwelle von einer Quelle rechtwinklig zur Ebene des Bändchens kommt, hat'sie den größten Einfluß, dagegen den kleinsten Einfluß, wenn sie in der Ebene des Bändchens liegt, da die momentanen

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Drücke auf die beiden Flächen des Bändchens gleich sind.

In Abb. 12 ist 61 das Bändchen und 62 und 63 die Schallwände, X ein Punkt senkrecht, Z ein. Punkt in der Ebene des Bändchens und Y ein dazwischenliegender Punkt. Wenn die Schallquelle in X ist, hängt die Druckdifferenz an den gegenüberliegenden Seiten des Bändchens vqn der Weglänge um eine der Schallwände herum ab. Wenn die Schallquelle in Y liegt, ist die Druckdifferenz gleich der Druckdifferenz im Punkt X mal dem cos XOY usw.

Die Richteigenschaften ändern sich nicht ig mit den Frequenzänderungen, wie aus den Polardiagrammen Abb. 13 und 14 hervorgeht, • wobei bei dem Diagramm gemäß Abb. 13 das Mikrophon um die senkrechte in Abb. I eingetragene Achse V-V bzw. in Fig. 14 um die waagerechte Achse H-H gedreht wird.

Die Polardiagramme in Abb. 13 geben die Richteigenschaften für verschiedene Frequenzen wieder, und zwar beziehen sich auf der rechten Seite die Kurve 71 auf 1000 Hz, die Kurve 72 auf 500 Hz und Kurve 73 aut 100 Hz, auf der linken Seite die Kurve 74 auf 2000 Hz, die Kurve 75 auf 3000 Hz und die Kurve 76 auf 5000 Hz. Entsprechend gelten für die Polarkurven nach Fig. 14 die Kurven 81, 82 und 83 auf der rechten Seite für die Frequenzen 1000, 500, 100 Hz und die Kurven 84, 85 und" 86 auf der linken Seite für die Frequenzen 2000, 3000 und 5000 Hz.

Ein Vergleich zwischen den beiden Diagrammen zeigt, daß bei den tiefen Frequenzen, die auf der rechten Hälfte der Diagramme wiedergegeben sind, praktisch keine Abweichung vorhanden ist. Bei den-mittleren Frequenzen, die auf der linken Hälfte der Diagramme dargestellt sind, macht sich ein ganz geringer Unterschied bemerkbar, der mit zunehmender Frequenz steigt. Die Abweichungen bei den hohen Frequenzen sind dadurch bedingt, daß bei Drehung des Mikrophons um die ff-H-Achse das Bändchen eine längere Ausdehnung besitzt als bei der Drehung um die F-J^-Achse. Die Länge des Bändchens bei Drehung um die Ji-Ji-Achse fällt bereits in die Größenordnung der Wellenlängen der höheren zu übertragenden Frequenzen.

Diese Figuren zeigen, daß die Schallwellen einen maximalen Einfluß auf das Mikrophon ausüben, wenn die Quelle sich senkrecht vor ■ dem Bändchen befindet; wenn sie einen Winkel von 30⁰ mit der Senkrechten bildet, ist die Wirkung etwa 80 °/₀, bei 45 ? 70 °/₀, bei 6o° 50 %, bei 75° 25^ft/₀ und bei 90⁰ Null. Naturgemäß braucht der durch die Schallwellen angeregte Körper kein Bändchen zu sein, vielmehr eignet sich dazu jeder kleine leichte Körper ohne eigene elastische Eigenschaft. Notwendig ist jedoch, daß die Einrichtung zur Umwandlung des Schalles in Änderungen elektrischer Größen so angeordnet ist, daß beide Seiten des Körpers frei dem Schallwellendruck ausgesetzt sind sowie daß die Schallwände genügend klein sind, so daß der Wellenweg zwischen den gegenüberliegenden Teilen des Körpers nicht größer ist als eine halbe Wellenlänge der höchsten Frequenz.

Bei der Ausführungsform gemäß Abb. 15 wird kein Bändchen verwendet, vielmehr ist hier eine kleine Membran 101, mit der eine Spule 102 verbunden ist, an einem biegsamen Ring 103 aufgehängt, so daß sich die Spule 102 zwischen dem Mittelpol 104 und dem äußeren Pol 105 eines Magneten befindet. Die Membran hat einen mittleren konischen Teil 106 und einen äußeren kegelstumpfförmigen Teil 107. Das Mittelpolstück 104 enthält eine Anzahl von Bohrungen 109, die es ermöglichen, daß die Innenfläche des Konus 106 dem Druck der Schallwellen ausgesetzt wird. Das Polstück 105 ist mit dem Mittelpol 108 über vier Seitenstege no und den Boden 111 verbunden, welche aus weichem Eisen bestehen, wobei diese Scheibe und das Polstück so 105 an den Stellen abgeflacht sind, an welchem Stege befestigt sind. 113 ist die Erregerwicklung, die mit einer Gleichstromquelle verbunden ist.

Zwischen einer inneren Distanzscheibe 112 und den Polstücken 104 und 105 ergibt sich ein Raum 114, in dem die Schallwelle verhältnismäßig frei zirkulieren kann. Demgemäß kann die Welle, die auf den vorderen Teil des zentralen Kegels 106 einwirkt, frei in dem Raum 114 zirkulieren und in gleicher Weise durch die Bohrungen 109 hindurch auf deren hintere Fläche einwirken. Die Länge des Schallwellenweges zwischen der Vorder- und Hinterfläche des Konus 106 bestimmt sich durch die Abmessungen der Membran, ihrer Halterung und des Polstückes 105 sowie in kleinerem Maße durch die Zahl und Abmessung der Bohrungen 109, die die Tendenz haben, den Widerstand des Schallweges zu vergrößern. Zweckmäßig werden die Bohrungen deshalb so groß wie möglich gewählt.

Claims (4)

1. Patentansprüche:

   i. Als Druckdifferenzempfänger wirkendes Mikrophon mit Bändchen oder einer ähnlichen leichten Membran mit tiefer, unterhalb der Hörgrenze liegender Eigenschwingung, bei dem die Rückseite der Membran von der Vorderseite durch eine Schallwand bildende Teile getrennt ist, gekennzeichnet durch eine derart ge-

   ringe Bemessung der die Schallwand bildenden Teile, daß ein kürzester Schallweg von der Vorderseite bis zur Rückseite der Membran gebildet ist, der etwa gleich der halben ^ Wellenlänge, höchstens aber gleich der Wellenlänge der höchsten zu übertragenden Frequenz ist.
2. 2. Mikrophon nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die Schallwand durch die Polschuhe und die sie tragenden Teile gebildet wird.
3. 3. Mikrophon nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß (Abb. 5) die Polschuhe (26, 27) mit den sie tragenden Schenkeln (28, 29) durch Verbindungsstücke (33) verbunden sind, die öffnungen (34) frei lassen, durch die die Wellen hindurchtreten können.
4. 4. Mikrophon nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß (Abb. 15) die Membran (ιοί) mit einer Tauchspule (102) versehen ist, die in bekannter Weise in den Spalt eines Ringmagneten (104, 105) hineinragt, wobei das zentrale Polstück (104) des Ringmagneten mit Löchern (109) versehen ist, die einen Schallweg zwischen den gegenüberliegenden Seiten der Membran frei lassen.

   Hierzu 2 Blatt Zeichnungen