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Elastische Füllmasse für Mikrofone u.. dgl. In den üblicherweise verwendeten
Fernsprechmikrofonen wird die a1tustische Schallenergie in elektrische Leistung
umgewandelt, indem die Druckschwankungen des äußeren Schallfeldes mittels einer
schwingfähigen Membran als Widerstandsänderungen einer vom Gleichstrom durchflossenen
Kohlegrießfüllung abgebildet werden. Infolge des unterschiedlichen Verhaltens einer
normalen Kohlegrießstrecke bei Elongation der Membran ist diese Umwandlung nur in
Druckrichtung linear. Dagegen tritt bei Zugauslenkung der Membran ein mechanischer
Gleichrichtereffekt auf, der Anlaß zu erheblichen Verzerrungen gibt. Die Ursache
ist im wesentlichen darin zu sehen, daß die Kohlekörner in der Phase des Zurückweichens
der Membranelektrode aus der Füllmasse sozusagen sich selbst überlassen sind. Sie
rutschen je nach Adhäsion und Masse willkürlich nach, verschieben sich gegeneinander
und erzeugen dadurch wiederum neue Frequenzen. Dieser Effekt wird durch das Auftreten
eines Differenztones (f, -f2)
angezeigt, der entsteht, wenn man das normale
Kohle.-grießmikrofon gleichzeitig mit zwei unterschiedlichen , gleicher Amplitude
beschallt. Tonfrequenzen f1 und f:,
Im praktischen Betrieb machen sich diese
zusätzlichen Verzerrungen außerdem etwa in Form eines sandigen Geräusches bemerkbar.
Es wäre daher zur Be->eitigung dieser Nichtlinearitäten von Vorteil, wenn Sämtliche
Kohlekörner, beispielsweise durch elastische Kräfte fixiert, unter dem Einfluß der
Schallbeaufschlagung in definierten Lagen schwingen könnten, um die Willkürbewegung
des einzelnen Kornes aufzuheben.
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Versuche, die in dieser Richtung angestellt wurden, haben zu dem bekannten
Kautschukmikrofon geführt. -#Ian benutzt hierbei den Effekt, daß durch die Beimischung
von Kohlepulver leitend gemachter Kautschuk bezüglich seines elektrischen Widerstandes
druckabhängig ist. Die elektrische Impedanz eines solchen Gebildes ist je nach dem
Mischungsverhältnis in weiten Grenzen variabel, der zweckbedingte Aufbau relativ
einfach und robust. Beeinträchtigenderweise ist die abgegebene Leistung jedoch von
vornherein geringer als beim Kohlemikrofon. Dazu sind im Fortschritt der Entwicklung
weitere Probleme getreten, deren durchaus unbefriedigende Lösung einer praktischen
Verwendung auf breiterer Ebene entgegensteht. Temperaturen bis 50° haben beispielsweise
einen geringen Einfluß auf die Leitfähigkeit des Systems, bei stärkerer Erwärmung
sinkt der Widerstand jedoch rapide und erschwert die Herstellung niederohmiger Mikrofontypen.
Des weiteren stellen sich im Laufe der Zeit gewisse Instabilitäten infolge chemischer
Veränderungen ein, die sich besonders infolge einer Oxydation der Kontaktelektroden
auf den Ruhestrom auswirken. Die Verwendung von synthetischem Kautschuk zeigt in
dieser Beziehung zwar günstigere Resultate, die Tatsache jedoch, daß der Leitkautschuk
in seiner Funktion als kompakter Druckwiderstandsmodulator stets, also auch bei
Verwendung dieses beständigeren Materials, mit einer hohen, technologisch begründeten
Eigendämpfung behaftet ist, erklärt den bereits erwähnten Empfindlichkeitsmangel
und den Einfluß gewisser Hysteresis und T rägheitsers.cheinungen auf den Modulationsgrad
solcher Mikrofone. Diese Eigenart wirkt sich im Zusammenhang mit Oberflächeneffekten
des normal verwendeten Kohlegrießes auf die Übertragungsqualität und den Klirrfaktor
derart einschränkend aus, d.aß die Verbreitung des Kautschukmilzrofons in der Praxis
trotz anerkannter Vorzüge in konstruktiver und fertigungstechnischer Hinsicht bislang
hinter der klassischen Kohlegrießtype zurücktreten mußte.
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Aufgabe der Erfindung ist es nunmehr, die genannten Mängel zu beheben
und allgemein einen elongationsabhängigen Widerstand hoher Empfindlichkeit, Linearität
und Stabilität, insbesondere für die Verwendung in Fernsprech-Mikrofonsystemen,
zu schaffen, mit dem die im Leitkautschuk der Aufgabestellung nach zweifellos extrem
erzielte, aber gerade deshalb nicht mehr genügend elastische Bindung der Kohlepartikel
untereinander in brauchbarer Weise zu realisieren ist.
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Unter den Gesichtspunkten, daß sich die Kohlekörner keinesfalls willkürlich
gegeneinander in neue Lagen verschieben dürfen, im übrigen aber auch nicht in ihrer
membranbeeinflußten Beweglichkeit gehindert sein sollen, wird gemäß der Erfindung
jedes einzelne Kohlekorn der Grießfüllung mit einer hauchdünnen
Oberflächenschicht
aus elastischem Kunststoff umgeben. Wenn jetzt nämlich der Raum zwischen Membran-
und Festelektrode des Mikrofons voll ständig mit einem derartig präparierten Kohlegrieß
-eventuell sogar unter einer leichten Vorspannung -ausgefüllt wird, läßt man der
Kohlegrießstrecke in sich funktionell zwar den erforderlichen Freiheitsgrad als
Schallwandler, nimmt aber zu gleicher Zeit den einzelnen Körnern die Möglichkeit,
sich gegenseitig über diese notwendige Bewegungsspanne hinaus bleibend in eine neue
Position zu verlagern. Dementsprechend erfolgt durch die von den 'lembranschwingungen
verursachte Druckvariation eine nur zeitweilige Verlagerung der Kohlekörner untereinander
aus definierten Ruhelagen heraus, die von jedem einzelnen Korn infolge der elastischen
Kräfte seiner Umhüllung in unerregtem Zustande selbsttätig wieder eingenommen werden.
Auf diese Weise wird eine wesentliche Herabsetzung der nichtlinearen Verzerrungen
des bekannten Kohlegrießinikrofons erzielt, während diesem gegenüber die mechanische
Impedanz fast unverändert beibehalten werden kann. Mit demselben Prinzip des Leitkautschuksystems
verglichen, rufen die Auslenkungen der Membran allerdings eine bedeutend größere
Widerstandsänderung und damit auch im Effekt höhere Leistungsabgabe hervor.
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In bezug auf das elektrische Verhalten wirkt sich die erfindungsgemäße
Umhüllung der einzelnen Kohlegrießkörner mit einer elastischen Kunststoffschicht
in verschiedener Richtung vorteilhaft und bemerkenswert aus. Auf Grund hoher Isolierfähigkeit
der etwa in der Größenordnung eines Mikrons vorhandenen Kunststoffschicht ist anzunehmen,
daß die leitenden Kohlepartikel einesteils ebensowenig miteinander wie mit den Kontaktelektroden
in unmittelbarer Berührung stehen. Es würden dann jedoch selbst bei verhältnismäßig
niedrigen Betriebsspannungen lokale Feldstärken von 105 bis 10% VOlt/cm auftreten,
die einen Übertritt des Elektronenstroms gestatten. Dessen Ausmaß hängt dabei sowohl
von der angelegten Spannung als auch von der Stärke der Isolierschicht ab, die sich
wiederum mit dein Druck auf die Gesamtfüllung verändert. Wenn nämlich auf eine mit
starren oder aber auch zweckmäßig mit elastischen Begrenzungswandungen versehene
Kohlekammer, die der, wie beschrieben, präparierte Kohlegrieß vollkommen und eventuell
sogar unter einer mäßigen Vorspannung ausfüllt, von außen mittels der Membran ein
statischer Druck ausgeübt wird, verformt sich die Isolierschicht der einzelnen Kohlekörner,
meist ohne zu brechen. Dabei wird ihr gegenseitiger Abstand fortwährend geändert,
so daß Übergangswiderstände von 200 bis 400 Ohm auftreten. Unter dieser Voraussetzung
berühren sich die Kohlekörner widerstandsmäßig genau wie im Leitkautschuk und gestatten
gleicherweise der vorhandenen Anzahl entsprechend, die hier allerdings im Gegensatz
zu dem variablen Mengenverhältnis der Kohlepulver-Kautschuk-Mischung eine Funktion
der Korngröße des Kohlegrießes ist, mit weitem Spielraum eine geeignete Anpassung
der elektrischen Impedanz an die jeweiligen Betriebsbedingungen. Sollte sich anderenfalls
von Anfang an oder infolge längeren Gebrauchs ein Durchstoßen der Kunststoffhüllen
und damit ein direkter Kontakt der Leitpartikel untereinander einstellen, so ändert
dies im wesentlichen weder die elektrischen Verhältnisse der Anordnung noch die
der Erfindung nach vorteilhaft erzielte Eigenschaft der Kohlekörner, in definierten
Lagen zu schwingen. je geringer im allgemeinen die Leitfähigkeit des Mikrofonkontaktes
ist, desto größer ist die an der Kontaktstelle eingesetzte Energie, die dem Widerstand
und dem Quadrat der Stromstärke entsprechend -in Wärme umgewandelt wird. Die Maßnahme,
zur Erhöhung der Wirksamkeit den Energieumsatz eines normalen Kohlegrießmikrofons
zu steigern, findet eine Grenze in der Gefahr unzulässiger Erwärmung und kann letzten
Endes zur Veraschung der empfindlichen Berührungsstellen und damit zur Taubheit
des Systems führen. Auch in dieser Hinsicht bewirkt die Kunststoffumhüllung der
einzelnen Kohlekörner sehr vorteilhaft eine bedeutend geringere Auswirkung lokaler
Erwärmungen. Bei Verwendung eines thermisch besuindigen Kunststoffs, beispielsweise
auf der Grundlage von Organo-Siliciuinoxyd-Polyineren, ist es also durchaus möglich,
durch Verstärken des Speisestroms die Wechselstromleistung elektrisch niederohmiger
1-1.Iikrofone zu steigern, ohne eine Änderung der chemischen und elastischen Eigenschaften
des Kunststoffüberzugs befürchten zu müssen. Des weiteren besteht die Möglichkeit,
durch Änderung der elastischen Eigenschaften des Kunst stoffs die mechanische Dämpfung
der gesamten Kohlegrießfüllung zu beeinflussen und dementsprechend den Wiedergabecharakter
des Mikrofons wunschgemäß zu gestalten. Elastische Kunststoffe stellen beispielsweise
Kautschuk und Viskose, Polyvinylchlorid oder Polyurethan usw. dar. Erfahrungs--emäß
scheidet Naturkautschuk seiner Neigung zu chemischem Altern wegen und der schon
mit einer mäßigen Erwärmung verbundenen Instabilitäten aus. Andere Kunststofftypen
gehen jedoch in ihrer Wärme Beständigkeit weit über das Normalmaß hinaus, ohne an
Elastizität zu verlieren. Im Rahmen der Erfindung ist einer Verwendung sämtlicher
Kunststoffe, die sich auf Grund ihrer besonderen Eigenschaften in chemischer, thermischer
und elastischer Hinsicht zur Herstellung einer sehr dünnen Umhüllung der Kohlekörner
benutzen lassen, keine Grenze gesetzt. Dabei ist sowohl an die echten, durch Polymerisation
und Kondensation aufgebauten Kunststoffe wie auch an modifizierte Naturstoffe gedacht.
Eine besondere Erwähnung verdienen unter Umständen Kunststoffe auf der Basis von
Polyisobutylen und Athylenglykol-Adipinsäure-Polyester.
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Vor ähnliche Probleme, wie sie die Vorschrift eines geeigneten Kunststoffs
darstellt, sieht man sich ebenfalls in Bezug auf Art, Zusammensetzung und Form der
als Füllmaterial zu verwendenden Kohlegrießes gestellt. Bekannterweise ist für das
Zustandekommen des Mikrofoneffekts nicht nur die mechanische Druckabhängigkeit des
Füllstoffwiderstandes von Bedeutung, sondern auch die Oberflächeneigenschaften des
angewendeten Leitmaterials. Mineralische Verunreinigungen sind von erheblichem Einfluß
auf dessen mikrofonischen Eigenschaften und ergeben je nach Herkunft der aus Anthrazit
bestehenden Naturkohle eine ziemliche Streuung der elektroakustischen Daten. Neuere
Verfahren gestatten, durch eine Verkokung von Kunststoffen, die durch Kondensation
oder Polymerisation von Kohlenwasserstoffen gebildet sind, bei bestimmten Temperaturen
einen Kunstkoks zu gewinnen und diesen unter einem Schutzgas in Gegenwart von 'Metall
und/oder Halbmetalldämpfeli einer Glühnachbehandlung zu unterziehen, bei der sich
zweckfördernd in die Oberflächenschicht einzubauende Fremdatome an den Kohlenstoff
anlagern. Diese Methode gestaltet die Kunstkohle und auch die einer entsprechenden
Nachbehandlung unterzogc.
nen, handelsüblichen Ausgangsstoffe bezüglich
ihrer mikrofonischen Eigenschaften erheblich günstiger. Einer Weiterbildung der
Erfindung gemäß wird derartig aufbereitete Kohle mit Kunststoff der bezeichneten
Art umhüllt.
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Die Herstellung des Kunststoffüberzugs geht in einfacher Weise so
vor sich, daß der für normale Fernsprechmikrofone in aufbereiteter Form verwendete
Kohlegrieß - und gegebenenfalls auch die Membran- und/oder Festelektrode - mit einer
flüchtigen Lösung des Kunststoffs allseitig benetzt wird, um nach Verdunsten des
Lösungsmittels eine hauchdünne Oberflächenschicht zurückzubehalten. Die erzielte
Schichtstärke ist dabei sowohl von Kunststoff und Lösungsmittel wie auch von verfahrenstechnischen
Maßnahmen abhängig.
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Die räumliche Anordnung sowie konstruktive und fertigungstechnische
Einzelheiten können nach Zweck und Belieben gestaltet werden, ohne die grundsätzlichen
Merkmale der Erfindung auch in dieser Beziehung einzuschränken und neuen, über das
Wesentliche hinaus abgeleiteten Erkenntnissen Raum zu ;eben.
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Unter diesen Gesichtspunkten stellt die Erfindung ine vorteilhafte
Möglichkeit dar, die Unzulänglichkeiten bekannter Leitgummianordnungen zugunsten
einer praktischen Verwendung zu beheben und ein Kohlegrießmikrofon zu schaffen,
das in Empfindlichkeit, Linearität und Konstanz der Funktion den bisherigen Typen
überlegen ist. Dem klassischen KohlerieBmikrofon gegenüber erreicht die elastische
Berührung der Kohlekörner darüber hinaus noch geringe Rauschanfälligkeit und durch
die Herabsetzung der nichtlinearen Verzerrungen eine bedeutende Verbesserung der
Übertragungsqualität sowie vollkommene Lageunabhängigkeit. Damit ist die Erfindung
jedoch keineswegs auf die ausschließliche Verwendung in elektroakustischen Systemen
beschränkt, sie bezieht vielmehr über die Darstellung hinaus mit dem gleichen Vorteil
eine Anwendung des Prinzips auf elektromechanische Wandler für Meß-und Regelzwecke
ein.