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Die vorliegende Erfindung betrifft eine
Schallaufnahmevorrichtung, welche eine Schalleintrittsöffnung und einen
dahinter liegenden Schalleintrittskanal aufweist, über welchen der
Schall zu einem Mikrofon geführt wird.
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Mikrofone zur Aufnahme von Schall, der aus verschiedenen
Raumrichtungen kommt, werden beispielsweise in
Freisprecheinrichtungen von Kommunikationsgeräten oder auch in
Handapparaten, beispielsweise dem Hörer eines Telefons, einem
Funkgerät, oder auch Mobilfunkendgeräten verwendet.
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Ein hierbei auftretendes Problem ist eine Verzerrung oder
Nichtlinearität des Schallsignals, das heißt eine Überhöhung
beziehungsweise Erniedrigung des Schalldrucks bei bestimmten
Frequenzen.
Eine derartige Mikrofonvorrichtung ist in Fig. 1 gezeigt. Im
Rahmen der Figurenbeschreibung wird dort genauer erläutert,
wie es zu den Nichtlinearitäten kommt.
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Aufgrund dieser Nichtlinearitäten werden daher in derartigen
Mikrofonen Filter, insbesondere Softwarefilter,
nachgeschaltet, über welche eine Entzerrung oder Glättung des
Mikrofonfrequenzganges vorgenommen wird. Insbesondere muss auch eine
Anpassung dieser Filter an das Schallsignal erfolgen, welche
nicht immer fehlerfrei abläuft. Dies alles erfordert
zusätzlichen Aufwand, welcher natürlich zu weiteren Kosten führt.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine
Schallaufnahmevorrichtung anzugeben, welche eine einfache und
sichere Entzerrung des aufgenommenen Schallsignals
gewährleistet.
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Diese Aufgabe wird durch eine Schallaufnahmevorrichtung gemäß
den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs gelöst,
Weiterbildungen dieser Schallaufnahmevorrichtung ergeben sich aus den
abhängigen Ansprüchen.
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Erfindungsgemäß ist der Schalleintrittskanal, welcher das
Schallsignal von der Schalleintrittsöffnung zum Mikrofon
leitet, derartig ausgebildet, dass die Schalleintrittsöffnung
und das Mikrofon räumlich gegeneinander versetzt sind.
Dadurch trifft durch die Schalleintrittsöffnung eintretender
Schall nicht direkt auf das Mikrofon, sondern erfährt vor dem
Auftreffen zumindest eine Reflexion an den Wänden des
Schalleintrittskanals. Durch diese indirekte Ausbreitung wird
vermieden, dass das Schallsignal verzerrt erfasst wird.
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Beispielsweise sieht eine räumliche Anordnung dann so aus,
dass von keinem Flächenelement der Schalleintrittsöffnung her
eine direkte Verbindung zu einer Mikrofonmembran, welche sich
auf der Kontaktfläche zwischen Mikrofon und
Schalleintrittskanal befindet, eine geradlinige Verbindung oder Sichtlinie
besteht, also keine direkte Schallausbreitung von der
Schalleintrittsöffnung zum Mikrofon möglich ist.
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Eine Ausgestaltung der Erfindung wird im Folgenden anhand der
Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
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Fig. 1 eine Schallaufnahmevorrichtung nach dem Stand
der Technik und
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Fig. 2 eine gemäß der Erfindung verbesserte
Ausgestaltung einer Schallaufnahmevorrichtung
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In Fig. 1 ist ein in bekannter Weise eingebautes Mikrofon in
einer Querschnittsdarstellung zu sehen. Im Gehäuse 1 befindet
sich eine Schalleintrittsöffnung oder Einspracheöffnung 2,
welche eine zugehörige Querschnittsfläche aufweist. Hinter
der Einspracheöffnung 2 befindet sich der
Schalleintrittskanal 4, an welchen sich dann das Mikrofon 5 anschließt. Bei
dem Schalleintrittskanal 4 handelt es sich um einen Hohlraum,
durch welchen der Schall von der Einspracheöffnung 2 zum
Mikrofon 5 geleitet wird. Im Übergangs- oder Kontaktbereich 6des Mikrofons 5 zum Schalleintrittskanal 4 befindet sich auch
die Membran des Mikrofons 5. Das Mikrofon 5 kann von einer
mechanischen, elastisch ausgebildeten Halterung, der
Mikrofontülle 7, weitgehend umfasst werden, um beispielsweise eine
Schallübertragung zwischen Gehäuse und Mikrofon zu vermeiden.
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Bei diesem Einbau erfolgt zum einen eine direkte Beschallung
vom Mikrofon 5 über die Einspracheöffung 2, zum anderen
erfährt das Schallsignal Reflexionen im Schalleintrittskanal 4.
Bei einer Reflexion tritt eine Phasendrehung auf, deren Größe
unter anderem frequenzabhängig ist.
Am Mikrofon kann also eine Überlagerung der direkt auf das
Mikrofon treffenden Schallwellen und von diesem wieder
reflektierten Schallwellen einerseits und der vorher bereits an
den Wänden des Schalleintrittskanals reflektierten, also
indirekt auf das Mikrofon treffenden Schallwellen andererseits
erfolgen. Durch diese Überlagerung wird das
Gesamtschallsignal, welches sich aus direkt und indirekt auftreffenden
Schallwellen zusammensetzt, abgeschwächt.
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Allgemein treten hierbei durch die frequenzabhängige
Phasendrehungen der reflektiertem Schallwellen am Mikrofon 5
unvermeidliche Nichtlinearitäten auf. Diese Nichtlinearitäten
zeigen sich im Frequenzverlauf, bei dem der Schalldruck oder die
Schallintensität gegenüber der Frequenz aufgetragen ist,
durch Überhöhungen bzw. Einbrüche des Schalldrucks oder der
Schallintensität bei bestimmten Frequenzen. Dies erfordert
den Einsatz von einem oder mehreren Filtern.
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Ein weiterer Nachteil eines derartigen Mikrofoneinbaus
besteht darin, dass das Mikrofon 5, insbesondere seine Membran,
von der Einspracheöffnung 2 her gut zugänglich ist. Dadurch
besteht die Gefahr, dass das Mikrofon 5 mittels eines spitzen
Gegenstandes von der Einspracheöffnung 2 aus zerstört werden
kann.
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Des Weiteren ist das Mikrofon 5 gegenüber elektrostatischer
Entladung nicht gut geschützt, da der Schalleintrittskanal 4
nur eine geringe Länge aufweist, das heißt, dass der Abstand
zwischen dem Kontaktbereich 6 des Mikrofons 5 und der
Einspracheöffnung 2 relativ gering ist. Eine geringe Länge des
Schalleintrittskanals 4 ist beispielsweise aufgrund ihres
geringen Platzbedarfs wünschenswert. Dieses Problem des
Platzbedarfs tritt im Rahmen der zunehmenden Miniaturisierung
verstärkt auf.
Andererseits kann die Schalleintrittskanallänge in dieser
Geometrie nicht beliebig verlängert werden, da mit zunehmender
Kanallänge immer mehr die störenden Eigenschaften eines
Helmholtz-Resonators [I] in Erscheinung treten, welche sich
zusätzlich in Form von resonanzbedingten Überhöhungen im
Frequenzverlauf äußern und mittels Filtern korrigiert werden
müssen. Unter einem Helmholtz-Resonator versteht man einen
beliebig geformten, gasgefüllten Hohlraum, in dem sich in
Abhängigkeit von der Dimensionierung des Hohlraumes sowie der
Kompressibilität des Gases Resonanzfrequenzen ausbilden.
Vereinfacht gesagt, treten bei dem in Fig. 1 gezeigten
Beispiel bei zunehmender Länge des Schalleintrittskanals auch
Resonanzfrequenzen auf, die im Frequenzbereich des
Schallsignals liegen. Dies impliziert beispielsweise, dass bei
zunehmender Bandbreite des Schallsignals kürzere
Schalleintrittskanäle 4 verwendet werden.
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In Fig. 2 ist eine beispielhafte Ausführung des im Rahmen
dieser Erfindung verbesserten Mikrofoneinbaus zu sehen. Auch
hier befindet sich im Gehäuse 1 eine Einspracheöffnung 2, an
welche sich ein Schalleintrittskanal 4 anschließt. Der
Schalleintrittskanal 4 setzt sich hier aus zwei Teilvolumina
oder Hohlräumen zusammen, einem Vorraumvolumen 10 und einem
räumlich versetzten Eintrittshalsvolumen 11, welche im
Folgenden näher erklärt werden. Der Schalleintrittskanal 4 führt
bis zum Mikrofon 5, welches weitgehend von einer
Mikrofontülle 7 umgeben ist. Über den Kontaktbereich 6 des Mikrofons 5
mit dem Schalleintrittskanal 4 sowie dem Abstand 9 des
Kontaktbereichs 6 zur verlängerten Wand des Eintrittshalsvolumen
4 - Hohlraums wird das Vorraumvolumen 10 definiert. Das
Eintrittshalsvolumen 11 wird durch die Querschnittsfläche der
Einspracheöffnung 2 sowie den Abstand zwischen der
Einspracheöffnung 2 und der gegenüberliegenden Wand des
Vorrauvolumens 11 definiert.
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Bei einer derartigen Anordnung bestimmt das
Eintrittshalsvolumen 11 im Wesentlichen die Eigenschaften des Helmholtz-
Resonators [I], bei dem sich in Abhängigkeit von der
Dimensionierung bestimmte Resonanzfrequenzen ausbilden.
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Hier sind die Volumina derart dimensioniert, dass keine
Resonanzfrequenzen auftreten, die sich im Bereich des
aufzunehmenden Schalls befinden. Der Zusammenhang zwischen den
Dimensionen der einzelnen Volumina und entsprechenden
Resonanzfrequenzen sind dem Fachmann hinlänglich bekannt.
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Die Senkrechte 8 zur Einspracheöffnung 2 beziehungsweise die
Achse des sich daran anschließenden Eintrittshalsvolumen 11-
Hohlraums und die Senkrechte 12 zur Kontaktfläche 6 des
Mikrofons 5 beziehungsweise die Achse des Vorraumvolumens 10 -
Hohlraums stehen in einem Winkel 13 aufeinander, der im
gezeigten Beispiel 90° beträgt, jedoch in einem weiten
Bereich um diesen variieren kann.
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Durch eine derartige räumliche Versetzung von
Einspracheöffnung 2 und Mikrofon 5 wird eine Reihe von Vorteilen erzielt:
- 1. Unabhängig vom Eintrittswinkel 14 des Schalls ist es nicht
möglich, dass Schallwellen ohne vorherige Reflexion an den
Wänden des Schalleintrittskanals 4 auf die Kontaktfläche 6
zwischen Mikrofon 5 und Schalleintrittskanal 4 treffen.
Somit ist eine Überlagerung von direkt und indirekt auf
das Mikrofon treffenden Schallwellen, welche
entgegengesetzt verlaufen, nicht mehr möglich, wodurch es nicht zu
der in Fig. 1 beschriebenen Abschwächung des
Gesamtschallsignals kommt. Dadurch werden Verzerrungen im vom
Mikrofon 5 aufgenommenen Schaltsignal vermieden.
Weiterhin ist aufgrund dieser indirekten Beschallung des
Mikrofons 5 in Verbindung mit den optimalen Abmessungen
des Eintrittshalsvolumens 11 ein linearer Frequenzverlauf
über das gesamte Frequenzspektrum gewährleistet und man
benötigt keinerlei Korrekturfilter.
- 2. Die Kontaktfläche 6, in der sich auch beispielsweise die
Membran des Mikrofons 5 befindet, ist von der
Einspracheöffnung 2 her nur schwer zugänglich. Dadurch wird ein
Zerstören der Membran mittels eines spitzen Gegenstandes, der
durch die Einspracheöffnung 2 gesteckt wird, verhindert.
- 3. Durch die, bei dieser Geometrie weitgehende Festlegung der
akustischen Eigenschaften durch das Eintrittshalsvolumen
11, ist man bei der Gestaltung des Vorraumvolumens 10
weitgehend frei. Somit kann die Länge des gesamten
Schalleintrittskanals 4, welcher sich aus
Eintrittshalsvolumen 11 und Vorraumvolumen 10 zusammensetzt, so gestaltet
werden, dass der gesamte Mikrofoneinbau besser gegenüber
Spannungen geschützt ist als bisherige Mikrofoneinbauten.
Luft isoliert unter Normalbedingungen bis zu einer
gewissen Feldstärke, deren Wert in der Größenordnung von 1 KV/mm
liegt. Das heißt, dass durch entsprechende Verlängerung
des Schalleintrittskanals 4 auch die Durchbruchsfeldstärke
erhöht werden kann, wodurch das Mikrofon 5 sehr gut gegen
statische Entladungen geschützt ist. Eine Verlängerung des
Schalleintrittskanals ist - wie bereits erläutert - bei dem
in der Fig. 1 gezeigten Aufbau nicht möglich, da dies die
akustischen Eigenschaften beeinflussen würde.
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Die Gestalt des Schalleintrittskanals 4 ist natürlich nicht
auf die in der Figur gezeigte Form beschränkt. Vielmehr sind
in Abhängigkeit vom Frequenzbereich sowie der Dimensionierung
der gesamten Anordnung eine Vielzahl von geometrischen Formen
möglich. Des Weiteren ist der Querschnitt des
Schalleintrittskanals 4 auch nicht auf eine kreisförmige Form
beschränkt, sondern auch hier sind eine Vielzahl von Varianten
möglich, welche sich beispielsweise auch nach dem vorhandenen
Platz für die gesamte Anordnung richten. Die
Einspracheöffnung muss weiterhin nicht notwendigerweise nach oben sondern
kann in beliebige Richtungen weisen.
[I] Bergmann Schäfer, Lehrbuch der Experimentalphysik Band
1, Mechanik, Akustik, Wärme
Bezugszeichenliste
1 Gehäuse
2 Einspracheöffnung, Schalleintrittsöffnung
4 Schalleintrittskanal
5 Mikrofon
6 Kontaktbereich
7 Mikrofontülle
8 Senkrechte zur Einspracheöffnung
9 Abstand
10 Vorraumvolumen
11 Eintrittshalsvolumen
12 Senkrechte zur Kontaktfläche
13 Winkel zwischen Senkrechter zur Einspracheöffnung und Senkrechter zur Kontaktfläche