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Einrichtung für Schallempfänger mit zwei durch ein Mikrofon gebildeten
Druckkammern und daran angeschlossenen Rohren Die Erfindung betrifft eine Einrichtung
für Schallempfänger mit zwei :durch ein Mikrofon gebildeten Druckkammern und daran
angeschlossenen Rohren.
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Einrichtungen dieser Art sind bekannt. Es ergeben sich jedoch bei
diesen Einrichtungen Schwierigkeiten in der Anpassung der Rohre an die Mikrofone.
Es ist dabei z. B. erforderlich, die Rohre mit ihrem Wellenwiderstand abzusc hbießen,
um Reflexionen zu vermeiden. So ist es z. B. bekannt, bei einem steifigkeits.gehemmten
Mikrofonsystem, beispielsweise einem Kohlemikrofon, die Rohrenden zur Beseitigung
der Resonanz mit Seidenscheiben abzuschließen. Auch bei einem massegehemmten Mikrofonsystem
hat man bereits einen Rohrabschluß mit Hilfe von Filzstücken vorgenommen. Es ist
auch schon versucht worden, an ein Tauchspulenmikrofon zwei Rohre anzuschließen.
Auch hierbei ergeben sich die Schwierigkeiten der Rohranpassung, da das Tauchspulenmikrofon
als Schallempfänger bei Betrieb als Gradientenempfänger massegehemmt ausgebildet
werden muß.
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Durch die Erfindung ist erkannt worden, daß für die Anpassung zwischen
Rohr und Membran reibungsgedämpfte Mikrofonsysteme besonders gut geeignet sind:,
da bei solchen Systemen die Anpassung mit Hilfe einer Querschnittsänderung (Geschwindigkeitstransformation)
erfolgen kann. Hierzu eignet sich besonders ein Kondensahormikrofion, weil es als
sogenannter Elongiationsempfänger eine Ausgangsspannung liefert, die nur der Auslenkung
der Membran und nicht der Schnelle der Membran proportional ist. Ein solches System
kann
infolgedessen auch als Gradientenmikrofon reibungsgehemmt ausgebildet werden, und
es ergibt sich dadurch der Vorteil, daß auch bei frequenzunabhängiger Ausgangsspannung
ohne zusätzliche Mittel eine einwandfreie Anpassung der Rohre an das Mikrofonsystem
möglich ist.
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Demgemäß isst eine Einrichtung für Schallempfänger mit zwei durch
ein Mikrofon gebildeten Druckkammern und daran angeschlossenen Rohren nach der Erfindung
durch die Kombination folgender Merkmale gekennzeichnet: a) Das Mikrofon ist als
vorwiegend reibungsgedämpftes, von beiden Seiten nvit Schiall beaufschlagbares Kondensatormikrofon
ausgebildet; b) die größte Ausdehnung jeder Drucldzammer ist kleiner als die halbe
Wellenlänge der höchsten zu übertragenden Frequenz; c) das Verhältnis der Querschnitte,der
Membran des Kondens,atormikrofoiis und der Rohre ist so gewählt, d@aß die transformierte
Reibung der Membran möglichst gleich dem mechanischen Widerstand der Rohre ist;
d,) die dem Kondensatormi.krofon abgewendeten Rohrmündungen sind dicht beieinander
angeordnet, vorzugsweis& in einem Abstand kleiner als eine halbe Wellenlänge
der höchsten zu übertragenden Frequenz.
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Bei Verwendung größerer Druckkammern kann zur Verringerung ihrer Abmessungen
und zur besseren Ankopplung des schwingungsfähigen Systems an das Schallfeld ein
zwiebelähnliches Verzweigungsstück vorgesehen sein, ähnlich wie es bei Druc'kkammerlautsprechern
bekannt ist.
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Durch die erfindungsgemäße Bemessung der Geschwindigkeitstransformation
werden unerwünschte Reflexionen der in den Rohren geführten Schallwellen vermieden.
Bei günstiger Dimensionierung der Membrana)bmessu@ngen und ihrer Reibung erhält
man verhältnismäßig dünne Rohre, über die der Schall dem schwingungsfähigen System
zugeführt wird. Es befinden sich .also am Aufnahmeort, z. B. an einem Rednerpult
oder vor einem Orchester, an Stelle des üblichen Mikrofons mit seinen oft nicht
unbeträchtlichen Abmessungen lediglich zwei dünne Rohre, die im Gesichtsfeld verhältnismäßig
wenig in Erscheinung treten. Neben diesem optischen Vorteil der unauffälligen Anbringung
ergibt sich auch ein akustischer, weil die Schallfeldverzerrungen durch die Rohre
besonders gering sind.
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Bei der beschriebenen. Einrichtung hängt die Bewegung des schwingungsfähigen
Systems und. somit die vom Schallempfänger erzeugte Spannung von der Differenz der
Schalldrücke in dem beiden Druckkammern ab. Dabei sind diese Schalldrücke ihrem
Effektivwert nach praktisch gleich, aber in ihrer Phasenlage verschieden, je nach
Rohrlänge und Einfallswinkel des Schalls bezüglich der Lage der Rohrmündungen; mit
anderen Worten, die Einrichtung besitzt eine Richtwirkung.
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Es ist auch, wie bereits ausgeführt, zweckmäßig, die Rohrmündungen
dicht beieinander vorzugsweise in einem Abstand anzuordnen, der kleiner ist als
eine halbe Wellenlänge der höchsten zu übertragenden Frequenz. Als Abstand ,ist
dabei die Entfernung der Mittelpunkte vier Rohrmündungen voneinander einzusetzen.
Ist diese Bedingung erfüllt, so ergibt sich eine bis zu den höchsten zu übertragenden
Frequenzen linear ansteigende Antriebskraft auf die reibungsgedämpfte Membran und
damit eine van der Frequenz unabhängige Au.slenkung des schwingungsfähigen Systems.
Bei Elongationsempfängern ergibt -sich somit ein von der Frequenz unabhängigesÜbertragungsmaß,
während es bei Geschwindiekeitsempfängern mit steigender Frequenz zunimmt und durch
an sich bekannte elektrische Mittel zu entzerren ist. Die obige Bedingung für den
Abstand der Rohrmündungen voneinander fuhrt bei hohen Frequenzen zu recht kleinen
Abständen, die aber mit dünnen Rohren noch leicht zu erreichen sind; dieselbe Bedingung
gilt auch bei den üblichen Richtmikrofonen für den Schallumweg von der vorderen
zur hinteren Meinbran. Auf Grund dessen ergeben sich bei den bekannten Richtmikrofonen
recht kleine Abmessungen und damit entsprechend geringe Kapazitäten, die erhebliche
Schwierigkeiten bei der Anschaltung an das erste Verstärkerrohr machen; hierbei
zeigt sich nun ein weiterer Vorteil bei einer Einrichtung gemäß der Erfindung, weil
mit den Rohren, wie erwähnt, die Abstandsbedingung leicht einzuhalten ist und gleichzeitig
der Schallempfänger selbst nach den andern für die Dimensionierung maßgebenden Faktoren
optimal gestaltet werden kann.
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Sind beide Rohre gleich lang, so ergibt sich eine achtförmigge Richtcharakteristik.
Um eine nierenförmige Richtcharakteristik zu erhalten, muß lediglich das eine Rohr
um den Betrag des Abstandes der beiden Rohrmündungen voneinander länger sein als
das andere. Darin liegt ein besonderer Vorteil der Erfindung, die mit einer so einfachen
Maßnahme eine nierenförmige Richtcharakteristik erzielt, während bei den gebräuchlichen
Mikrofonen dazu in der Dimensionierung sehr kritische und fabrikationsmäßig schwer
zu beherrschende Mittel notwendig sind. Die Erfindung bringt den weiteren Vorteil,
daß besonders einfache Einrichtungen möglich sind, bei denen die Richtcharakteristik
mechanisch stetig veränderbar ist. Es ist dazu wenigstens ein Rohr in an sich bekannter
Weise, z. B. durch perfskopartige Ausbildung; vorzugsweise bc-i unveränderlicher
Lage der Rohrmündungen zueinander, in seiner Länge veränderbar. Die Rohre können
dann wahlweise auf gleiche Länge oder auf einen Längenunterschied vom Betrag des
Abstandes beider Rohrmündungen voneinander eingestellt werden. Damit ist ein stetiger
Übergang von achtförmiger zu nierenförmiger Richtcharakteristik und umgekehrt möglich.
Das schwingungsfähige System kann aus einer Membran bestellen, der eine vorzugsweise
als Gegenelektrode wirkende durchlöcherte Platte zugeordnet ist, oder auch aus zwei
Membranen, zwischen denen eine oder mehrere durchlöcherte-Platten. angeordnet sind;
bei letzteren können die beiden Membranen mechanisch, z. B. durch Luftpolster großer
Steife, fest mitenarider
gekoppelt und die eine oder auch beide
als Elektroden ausgebildet sein. Die nicht als Elektrode ausgebildete Membran kann
akustisch-mechanische Funktionen erfüllen oder auch einfach als Staub- und Feuchtigkeitsschutz
dienen. Sofern beide Membranen als Elektroden ausgebildet sind, ist ihre Zusammenschaltung
vorzugsweise im Gegentakt möglich. Eine weitere Ausführungsform besitzt zwei mechanisch
voneinander talabhängige Membranen, die beide als Elektroden elektrisch zusammen-,
vorzugsweise gegeneinandergeschaltet sind. Jede Membran wird dabei nur von einer
Seite mit Schall beaufschlagt, und die Differenzbi'ldung der Schalldrücke beider
Druckkammern erfolgt auf elektrischem Wege. Die resultierende Spannung steigt dabei
proportional mit der Frequenz an; mit an sich bekannten Mitteln läßt seich dieser
Frequenzgang leicht entzerren.
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Die- Erfindung und dazugehörige Einzelheiten sind an Hand der Abb.
i bis q. beispielsweise erläutert.
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Abb. i zeigt einen Schallempfänger mit einer Membran und achtförmiger
Richtwirkung, Abb.2 einen Schallempfänger mit zwei Membranen und einstellbarer Richtwirkung;
in den Abb. 3 und .4 sind Zusammenschaltungen von zwei Systemen dargestellt, die
jeweils eine als Elektrode ausgebildete Membran und eine als Gegenelektrode ausgebildete
durchlöcherte Platte besitzen, wobei die Membranen mechanisch voneinander unabhängig
sind.
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In Abb. i ist ein Kondensatormikrofon durch die Membran i, die durchlöcherte
Platte 2, die als Gegenel,di:.trod@e ausgebildet ist, und ein Gehäuse 3 dargestellt.
Zwischen Membran i und. Gehäuse 3 liegt die Druckkammer ,4., die über das Rohr 5
mit dem Schallfeld. in Verbindung steht; desgleichen steht dieDruckkammer6 zwi.schenGegenel,e@lctrod@e2
und Gehäuse 3 über das Rohr 7 mit dem Schallfjeld in Verbindung. Der Abstand der
Rohre 5 und 7 voneinander ist durch Abstandsstücke 8 und 9 gegeben und ist vorzugsweise
kleiner als eine halbe Wellenlänge der höchsten zu übertragenden Frequenz. Um das
Eindringen von Verunreinigungen in das Mikrofon zu vermeiden, befinden sich an den
Stellen io und i i, an denen die Rohre an das Gehäuse angeflanscht sind, schalldurchlässige
Siebe, beispielsweise aus Drahtgeflecht od. d'gl. Die Membran i und die Gegenelektrode
2 sind über das Klemmenpaar 12 elektrisch angeschaltet. Das Mikrofon befindet sich
in einem Einbau 13, der auch die erste Verstärkerröhre und die dazugehörigen Schaltelemente
enthält. Der Einbau 13 kann beispielsweise als Tischaufsatz oder als Fuß eines Standmikrofons
ausgebildet sein.. Bei Schalleinfall in einer Ebene, die durch die Mittellinie parallel
zu den Rohren geht und senkrecht zurr Zeichenebene steht, gelangen die Schallwellen
mit gleicher Größe und, Phase auf die beiden Seiten der Membran i. Die Kräfte auf
beiden Seiten der Membran sind gleich groß und heben sich auf; somit bleibt die
Membran in Ruhe, und es entsteht keine Wechselspannung am Klemmenpaar 12. Bei Schalleinfall
in dieser Ebene ist also die Empfindlichkeit des Mikrofons Null. Bei Schalleinfall
aus irgendeüner anderen Richtung besteht immer eine Phasenverschiebung zwischen
den auf die beiden Seiten der Membran auftreffenden Schallwellen; je größer der
Winkel zwischen Schall,einfallsrichtung und der oben beschriebenen Ebene ist, desto.
größer is,t die Phasenverschiebung und desto größer auch die Differenz der auf die
Membran wirkenden Kräfte. In entsprechender Weise ist die vom Mikrofon an dem Klemmenpaar
12 erzeugte Spannung vom Einfallswinkel abhängig und erreicht ihr Maximum bei Schalleinfall
in Richtung des Pfeiles i¢ oder entgegengesetzt, d. h. in Richtung senkrecht zur
Ebene minimaler Empfindlichkeit. Für die Anordnung ergibt sich. som,iit eine achtförmige
Richtwirkung.
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In A:bb. 2 besitzt das Mikrofon die Membranen 15 und 16 und diesen
zugeordnete durchlöcherte Platten 17 und 18; die Membran 15 ist als Elektrode und
die Platte 17 als Gegenelektrode ausgebildiet; die erzeugte Spannung wird amKlemmenpaar
ig abgenommen. Die Druckkammer 2o zwischen Membran 15 und Gehäuse 21 steht über
das Rohr 22 mit dem Schallfeld in Verbindung, die Druckkammer 23 zwischen 1-Iembran
16 und Gehäuse 21 über den Rohrstutzen 24 und das Rohr 25. Der untere Teil des Rohres
25 isst etwas biegsam, so daß er sich periskopartig in Richtung des Doppelpfeiles
26 über den Rohrstutzen 2.4 schieben läßt. Der Abstand der Mündungen der Rohre 22
und 25 ist durch die Abstandsstucke 27 und 28 gegeben und ändert sich durch das
Einschieben und Herausziehen des unteren Teiles des Rohres 25 nicht. Die Membranen
15 und 16 sind durch das kleine Luftpolster 29, das: eine große Steife besitzt,
fest miteinander gekoppelt. Die Membran 16 wirkt dabei als Stautb- und, Feuchtigkeitsschutz
für das Mikrofon. Als zusätzlicher Schutz gegen Verunreinigungen sind -,vie in Abb.
i Drahtgeflechte od. dgl. an geeigneten Stellen der Rohre vorgesehen. Bei Schalleinfall
in Richtung des Pfeiles 30 gelangt der Schall später an die Mündung dies
Rohres 22 als an die Mündung des Rohres 25, und zwar um einen Zeitraum, der
durch die Sch.allgeschwindiigkeit und durch den Abstand der beiden Rohrmündungen
voneinander gegeben ist; die sich im Rohr 25 fortpflanzende Schallwelle hat aber
in der gezeichneten Stellung dieses Rohres einen längeren Weg zurückzulegen als
die Schallwelle im Rohr 22, und zwar ist die Differenz dieser beiden Wege genau
so groß wie: der Abstand der beiden Rohrmündungen voneinander. Der in Richtung des
Pfeiles 30 einfallende Schall gelangt also .tatsächlich mit derselben Phasenlage
an die Membranen des Mikrofons, die demzufolge in Ruhe bleiben. Für alle anderen
Einfallsrichtungen dies Schalls ergeben sich dagegen an den Mikrofonmembranen Phasendifferenzen,
d. h., die Membranen kommen ins Schwingen, und es entsteht eine Wechselspannung
am Klemmenpaar i9. Die maximale Ausgangsspannung ergibt sich bei Schalleinfall entgegengesetzt
zur Richtung des Pfeiles 30. Man erkennt,
daß die beschriebene Anordnung
eine nierenförmige Richtwirkung besitzt. Schiebt man dien unteren Teil des Rohres
25 über den Rohrstutzen 24 bis zum Anschlag, so sind die beiden Rohre gleich lang,
und man erhält ein Mikrofon mit achtförmiger Richtwirkung entsprechend der in Abb.
i gezeigten Ausführung.
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In Abb. 3 ist die als Elektrode ausgebildete Membran 31 des einen
Systems direkt mit der Klemme 32 verbunden, die das Potential der Vorspannung, beispielsweise
-f- iooV, besitzt. Die Gegenelektrode 33 dieses Systems liegt über einen Hoch@ohmwideratand
34, der beispielsweise die Größenordnung von ioo MOhm besitzt, an Masse 35 und gleichzeitig
wechselstrommäßig über den Koppelkondensator 36 am Gitter des ersten Verstärkerrohres
37. Die ebenfalls als Elektrode ausgebildete Membran 38 des zweiten Systems liegt
über dem Hochohmwiderstand 39, der dieselbe Größenordnung besitzt wieder Hochohmwiderstand
34 an der vorspannungführenden Klemme 32 sowie über den Koppelkondensator 4o am
Gitter des Rohres 37. Die Gegenelektrode 4i dies-es Systems liegt direkt an Masse
35; zwischen. dem Gitter des Rohres 37 und Masse liegt der Gitterable;itwiderstand
42. Die Beaufschlagung der beiden Systeme mit Schall, die über Rohre erfolgt, ist
durch die Pfeile 43 und 44 angedeutet. Aus der Schaltung ergibt sich, daß die beiden
Systeme mit gleicher Polurig an Vorspannung liegen, wobei die Vorspannung durch
den Kondensator 4o vom Gitter des Rohres 37 ferngehalten wird. Wechselstrommäßig
liegt bei dem aus Membran 31 und Gegenelektrode 33 bestehenden System die
Membran über den nicht eingezeichneten Siebkondensator für die Vorspannung im Netzgerät
an Masse und die Gegenelektrode am Gitter, der Hochohmwiderstand 34 ist dabei um
ein Mehrfaches größer als der Gitterableitwiderstand 42; beim aus Membran 38 und
Gegenelektrode 41 bestehenden System liegt dagegen die- Gegenelektrode an Masse
und die Membran am Gitter. Die von den beiden Systemen erzeugten Wechselspannungen
sind also gegeneinandergeschaltet, und es, kommt für düe Verstärkung im Rohr 37
die, Spannung zur Wirkung, die aus der Differenz der Verschiebungsströme im Gitterableitwiderstand
42 resultiert. Werden die beiden Systeme durch in Richtung der Pfeile 43 und 44
einfallenden Schall gleichphasig erregt, so heben sich die erzeugten Wechselspannungen
auf, und es ergibt sich ein Minimum der Empfindlichkeit. Mit steigender Phasenverschiebung
der Anregung beider Systeme ergibt sich eine steigende Empfindlichkeit der Anordnung.
Man hat es in der Hand, durch gleiche Rohrlängen eine achtförmige RichtwIrkung oder
durch geeignet bemessene Längenunterschiede der Rohre andere Richtwirkungen, z.
B. Nierenform, zu erreichen.
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In Abb.4 ist die Gegeneinanderschaltung der Spannungen beider Systeme
durch eine etwas abgeänderte Schaltung erreicht. Die beiden Gegenelektroden 33 und
41 liegen gemeinsam an Masse 35;dieMembran3i überdenHochohmwiderstand45 an der Klemme
46, die eine Vorspannung von beispielsweise +iooV gegen Masse führt. Die Membran
38 liegt über einen Hochohmwiderstand 47 von etwa gleicher Größe wie der Widerstand
45 an .der Klemme 48, die eine Vorspannung gleicher Größe, aber entgegengesetzter
Polurig, z. B. -iooV gegen Masse, führt. Wechselstrommäßig liegen beide Membranen
über die Kondensatoren 36 und 40 am Gitter der Röhre 37, das über den Gi:tterableitwiderstand
42 mit Masse verbunden ist. Die Schalleinfallsri.chtun.gem sind durch die Pfeile
43 und 44 angedeutet. Im Gegensatz zur Schaltung gemäß Abb. 3 liegt die Vorspannung
in umgekehrter Polurig an den beiden Systemen, während sie wechselspannungsmäßig
parallel liegen. Demzufolge kommt wiederum am Gi:tterableitwiderstand 42 nur die
Spannung zur Wirkung, die aus der Differenz der Verschiebungsströme beider Systeme
resultiert. Es kann auch zweckmäßig sein; die Anschlüsse der Membranen 3i und 38
mit den Anschlüssen der Gegenelektroden 33 und 41 zu vertauschen; es liegen dann
die Membranen gemeinsam an Masse 35 und die Gegenelektroden an positiver bzw. negativer
Voxspannung. Die Wirkungsweise der Schaltung nach Abb. 4. ist im übrigen die gleiche
wie bei der Schaltung nach Abb. 3; dem Vorteil -des gemeinsamen Ma.sseanschlusses
der beiden Gegenelektroden bzw. Membranen nach Abb.4 steht der Nachteil gegenüber,
daß zwei gegen Masse entgegengesetzte Vorspannungspotentiale erforderlich sind.
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Bezüglich der bekannten Schwierigkeiten, die für die Anschaltung eines
Kondensatormiikrofons an das erste Verstärkerrohr bestehen, zeigt die Erfindung
einen wesentlichen Vorteil; da nämlich aus den oben angeführten Gründen die Mikrofonkapazitäten
im allgemeinen größer sind als sonst üblich, ist es leichter möglich, technisch
einwandfreie und betriebssichere Lösungen für die Anschaltung des Mikrofons zu finden