DE1162415B - Schallempfaenger mit vorzugsweise einseitiger, gegebenfalls einstellbarer Richtcharakteristik, enthaltend ein oder mehrere nach dem elektrostatischen Prinzip arbeitende Wandlersysteme - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Internat. Kl.: H 04 m

Deutsche Kl.: 21 a2 -3

Nummer: 1 162 415

Aktenzeichen: A 39536 VIII a / 21 a2

Anmeldetag: 22. Februar 1962

Auslegetag: 6. Februar 1964

Die einseitige Richtwirkung eines Mikrophons wird bekanntlich dadurch erzielt, daß das bewegte Element des Wandlers, also die Membran, von beiden Seiten mit Schall beaufschlagt wird, wobei die eine Seite der Membran (Vorderseite) direkt dem Schall ausgesetzt ist, die andere Seite (Rückseite) hingegen über ein phasendrehendes akustisches Netzwerk mit dem Schallfeld in Verbindung steht. Durch diese Anordnung wird die Phase des antreibenden Schalldruckes gerade um so viel gedreht, wie der Laufzeit von der Vorderseite zur Rückseite der Membran entspricht. Es ist leicht einzusehen, daß hierdurch die von der Rückseite an das Mikrophon gelangenden Schallwellen in ihrer Wirkung auf die Membran kompensiert werden, so daß die Membran in Ruhe bleibt (Rückwärtsdämpfung).

Dieselbe Wirkung kann man auch dadurch erzielen, daß man einen Druckempfänger mit kugelförmiger (allseitiger) Richtcharakteristik elektrisch mit einem Druckgradientenempfänger mit achtförmiger (zweiseitiger) Richtcharakteristik kombiniert.

Ein solcherart aufgebautes Mikrophon ergibt die optimale Wirkung im ebenen Schallfeld, d. h. in einem verhältnismäßig großen Abstand von der Schallquelle. Nähert man sich der meist als punktförmig angenommenen Schallquelle, so kann deren Schallfeld nicht mehr als eben betrachtet werden, sondern als kugelförmig.

Im kugelförmigen Schallfeld steigt aber der Wert des Druckgradienten bei Annäherung an die Schallquelle mit fallender Frequenz stark an, wogegen der Druckunterschied im ebenen Schallfeld zwischen zwei in Fortpflanzungsrichtung der Schallwellen liegenden Punkten annähernd linear bis zu jener Frequenz zunimmt, bei der die halbe Wellenlänge gleich dem Abstand der beiden Punkte wird.

Es ist daher verständlich, daß ein zur Aufnahme ebener Schallwellen eingerichtetes Mikrophon, das den Druckgradienten als antreibende Kraft besitzt, im Kugelschallfeld (also bei Nahbesprechung) die tiefen Frequenzen gegenüber den mittleren und hohen Frequenzen bevorzugt wiedergibt.

Eine weitere Folge ist auch, wie theoretische und praktische Untersuchungen ergeben haben, eine sehr starke Verschlechterung der Rückwärtsdämpfung (Auslöschung) für diese Frequenzen, d.h. eine Verschlechterung der einseitigen Richtcharakteristik. Damit verbunden ist eine Zunahme der aufgenommenen Schallenergie, die bekanntlich bei Wandlern mit einer Cardioidcharakteristik etwa um ein Viertel kleiner ist als bei einem ungerichteten Wandler.

Zur Verringerung der vorstehend beschriebenen Schallempfänger mit vorzugsweise einseitiger,
gegebenenfalls einstellbarer Richtcharakteristik,
enthaltend ein oder mehrere nach dem elektrostatischen Prinzip arbeitende Wandlersysteme

Anmelder:

Akustische u. Kino-Geräte Gesellschaft m. b. H., Wien

Vertreter:

Dipl.-Ing. W. Scherrmann, Patentanwalt,

Eßlingen/Neckar, Fabrikstr. 9

Als Erfinder benannt:

Dipl.-Ing. Bernhard Weingartner, Wien

Beanspruchte Priorität:

Österreich vom 19. Juni 1961 (Nr. A 4749/61)

Nachteile wurde bereits vorgeschlagen, die Anhebung der tiefen Frequenzen bei Nahbesprechung durch Einschaltung zweckmäßig dimensionierter, gegebenenfalls auch regelbarer akustischer oder elektrischer Dämpfungsglieder auszugleichen, wobei sich die Regelung auf den Frequenzgang der Ausgangsspannung des Wandlersystems, das auch aus mehreren Einzelsystemen bestehen kann, beschränkt. Es ist offensichtlich, daß dadurch zwar eine Verbesserung des Frequenzganges, keinesfalls aber eine Verbesserung der Rückwärtsdämpfung erzielbar ist, denn für diese bleibt die Beeinflussung des Frequenzganges der zusammengelegten Ausgangsspannung aller Wandlersysteme des verwendeten Schallempfängers ohne Wirkung.

Demgegenüber ist es das Ziel der Erfindung, Maßnahmen anzugeben, die es gestatten, sowohl die Wirkung des Druckes als auch des Druckgradienten bei jeder Frequenz und bei jedem Abstand von der Schallquelle annähernd gleichzumachen und so nicht nur den O°-Frequenzgang in Abhängigkeit von der Entfernung wählbar einstellbar zu machen, sondern auch, unabhängig oder gekoppelt mit dieser Einstel-

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lung, die Auslöschung für rückwärtigen Schalleinfall sehen dem Ausgang des Druckgradientenempfängers 2 für jeden Besprechungs-(Beschallungs-)Abstand opti- und dem Eingang des Verstärkers 4 ein frequenzmal zu gestalten. abhängiges elektrisches Dämpfungsglied, das, wie in

Erreicht wird dieses Ziel bei einem Schallempfän- Fig. 1 dargestellt, als umschaltbares .RC-Glied ausger mit vorzugsweise einseitiger, gegebenenfalls ein- 5 gebildet sein kann. Dieses Dämpfungsglied besteht stellbarer Richtcharakteristik, der einen oder mehrere aus der Quellenimpedanz des Wandlers 2 mit der nach dem elektrostatischen Prinzip arbeitende Wand- Kapazität C₀ und den über die Kapazität C angelersysteme enthält, dadurch, daß zum Ausgleich des schalteten drei Widerständen R₁, R.,, R... von denen Einflusses einer Beschallung aus jeweils verschiede- jeweils einer mittels des Umschalters U an den Können Entfernungen wenigstens einem der eingebauten io densatorC angeschaltet werden kann. Die Wider-Wandlersysteme veränderbare, frequenzabhängige, stände können bei einem Röhrenverstärker gleichelektrische und/oder akustische Dämpfungsglieder zeitig als Gitterableitwiderstände der Verstärkerröhre zugeordnet sind, die über Einstellglieder, die mit Ent- dienen.

fernungsangaben tragenden Skalen, Markierungen, Von den bekannten Anordnungen, bei denen ein

Symbolen od. dgl. zusammenwirken, verstellbar sind. 15 Druckempfänger mit kugelförmiger Charakteristik

Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung mit einem Druckgradientenempfänger mit achtför-

werden bei einem Schallempfänger, der sowohl einen miger Charakteristik in einem gemeinsamen Gehäuse

Druckempfänger als auch einen Druckgradienten- untergebracht ist und deren Ausgänge am Eingang

empfänger enthält, letzterem die frequenzabhängigen, eines gemeinsamen Verstärkers liegen, so daß eine

einstellbaren elektrischen und bzw. oder akustischen 20 einseitige, vorzugsweise cardioidförmige Richtcharak-

Dämpfungsglieder zugeordnet, so daß der Anstieg teristik resultiert, unterscheidet sich die erfindungs-

des Gradienten bei den tiefen Frequenzen im Kugel- gemäße Schaltungsanordnung dadurch, daß für jeden

schallfeld (Nahbesprechung) kompensiert werden Wandler ein getrennter Verstärker vorgesehen ist und

kann. das frequenzabhängige elektrische Dämpfungsglied

Bei einem Schallempfänger, der nur ein Wandler- 25 nicht im gemeinsamen Verstärkerausgang, sondern

system mit einer einseitigen Richtwirkung enthält, im Übertragungsweg des Druckgradientenempfängers,

das mit einem phasendrehenden, akustischen RC- also vorzugsweise zwischen Mikrophonausgang und

Glied ausgerüstet ist, ist gemäß einem weiteren Merk- Verstärkereingang, eingeschaltet ist. Dadurch wird

mal der Erfindung der akustischen Kapazität ein aku- bei der Erfindung im Gegensatz zu der bekannten

stischer Reibungswiderstand parallel geschaltet oder 30 Anordnung, die lediglich eine Korrektur des Fre-

mit dieser Kapazität in einer Reihenschaltung ange- quenzganges bewirkt, für jede Frequenz und für jeden

ordnet. Besprechungsabstand die gleiche Empfindlichkeit und

Zusätzlich kann zu dieser Maßnahme in den elek- die gleiche Rückwärtsdämpfung der Wandlerkombi-

trischen Übertragungsweg dieses Wandlersystems ein nation im Schallempfänger erzielt,

regelbares, frequenzabhängiges elektrisches Dämp- 35 Sie unterscheidet sich demgemäß auch von einer

fungsglied, vorzugsweise ein i?C-Glied, eingeschaltet bereits vorgeschlagenen Maßnahme, bei derartigen

sein. Kombinationswandlern frequenzabhängige elektrische

Die Erfindung soll nun an Hand der Zeichnungen Glieder im Übertragungsweg eines Einzelsystems annäher erläutert werden. zuordnen. Diese Glieder hatten nämlich einzig die

Fig. 1 zeigt das elektrische Schaltbild einer Zu- 40 Aufgabe, den Frequenzgang im ebenen Schallfeld

sammenschaltung eines Druckempfängers mit einem und bei jenen hohen Frequenzen zu korrigieren, bei

Druckgradientenempfänger, bei dem nur eine elek- denen die halbe Wellenlänge gleich wird dem Schall-

trische Regelung vorgesehen ist, in umweg und wo deshalb das Gradientenmikrophon

Fig. 2 ist der Querschnitt durch einen Druck- einen sehr starken unerwünschten Phasengang auf-

gradientenempfänger mit erfindungsgemäß angeord- 45 weist.

neten akustischen Dämpfungsgliedern schematisch Selbstverständlich müssen die Widerstände des in

dargestellt; Stufen schaltbaren ÄC-Gliedes so dimensioniert sein,

Fig. 3 zeigt das entsprechende Ersatzschaltbild daß innerhalb gewisser Grenzen für jeden Bespre-

hierzu, in chungsabstand die durch den Druckgradienten ver-

Fig. 4 ist eine andere Ausbildung der Erfindung 50 ursachte Anhebung der tiefen Frequenzen kompen-

dargestellt, zu der siert wird. Auf diese Art und Weise bleibt die Emp-

F i g. 5 das entsprechende Ersatzschaltbild ist, und findlichkeit jedes der beiden Einzelwandler stets

Fig. 6 stellt die Außenansicht eines erfindungs- gleich groß, und auch die eingestellte einseitige Richtgemäßen Schallempfängers dar. charakteristik bleibt unabhängig vom Besprechungs-

Wie bereits in der vorstehenden Beschreibungs- 55 abstand erhalten.

einleitung ausgeführt wurde, kann das Ziel der Er- Mit der erfindungsgemäßen Anordnung nach F i g. 1

findung entweder auf rein elektrischem Wege oder ist es auch möglich, wahlweise dem Schallempfänger

mit rein akustischen Mitteln oder durch eine Kombi- entweder eine Kugel- oder eine Achtcharakteristik

nation beider Maßnahmen erzielt werden. zu geben, je nachdem, welchen Wandler des Systems

In Fig. 1 ist zunächst ein elektrisches Schaltbild 60 man allein benutzt. Die Umschaltung kann durch

eines Schallempfängers mit zwei Einzelsystemen dar- einen einfachen Schalter erfolgen, da lediglich elek-

gestellt, von denen der eine Empfänger ein Druck- trische Stromkreise zu schalten sind. In der Stellung

empfänger 1 mit kugelförmiger Charakteristik ist. »Achtcharakteristik« wird außerdem durch die Ver-

Dieser arbeitet auf eine Verstärkerstufe 3, so daß er wendung der erfindungsgemäßen Einrichtung in allen

von dem Druckgradientenempfänger 2 vollkommen 65 Besprechungsfällen ein gleichmäßiger Frequenzgang

entkoppelt ist. Letzterer arbeitet auf den Verstärker 4, erzielt.

dessen Ausgang mit dem des Verstärkers 3 zusam- Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung,

mengeschaltet ist. Erfindungsgemäß liegt nun zwi- bei dem ein frequenzabhängiges akustisches Dämp-

fungsglied verwendet wird, ist in Fig. 2 dargestellt. Es handelt sich dort um ein Richtmikrophon mit einseitiger Richtcharakteristik, die durch ein akustisches phasendrehendes Glied erzielt wird. Bei einem solchen Mikrophon ist es nur schwer möglich, eine selektive Dämpfung des Achteranteiles zu erreichen. Theoretische Überlegungen an einem aus einem RC-Glied gebildeten phasendrehenden Glied, wie sie bei Kondensatonnikrophonen meist verwendet werden, haben aber gezeigt, daß durch sehr einfache Maßnahmen der Verschlechterung der Rückwärtsdämpfung und damit der Vergrößerung der aufgenommenen Schallenergie bei Beschallung aus der Nähe entgegengetreten werden kann. Zu diesem Zweck wird erfindungsgemäß der Kapazität (Rückstellkraft) des die einseitige Richtcharakteristik hervorrufenden phasendrehenden Gliedes ein akustischer Reibungswiderstand parallel geschaltet, der gegebenenfalls auch durch einen äquivalenten Serienwiderstand ersetzt werden kann. ao Der Wert des parallel geschalteten akustischen

Reibungswiderstandes soll angenähert das -^- -fache

des Reibungswiderstandes des i?C-Gliedes betragen, wenn r den Abstand des Mikrophons von der Schallquelle und Δ den Schallumweg von der Vorderseite zur Rückseite der Membran bezeichnet. Um daher an die verschiedenen Besprechungsabstände anpassen zu können, muß der Reibungswiderstand veränderbar sein. Er bewirkt vor allem die Aufrechterhaltung der Rückwärtsdämpfung bei den tiefen Frequenzen in Abhängigkeit von der Besprechungsentfernung, wogegen der Anstieg der Empfindlichkeit bei O°-Beschallung gegebenenfalls durch ein selektives Dämpfungsglied im Verlaufe des Übertragungsweges ausgeglichen werden kann. Die Regelung der Rückwärtsdämpfung sowie des Ausgangspegels können entweder getrennt voneinander vorgenommen werden oder aber mittels eines einzigen Einstellgliedes gleichzeitig erfolgen.

Bei dem in F i g. 2 schematisch im Schnitt dargestellten Kondensator-Richtmikrophon schwingt die Membran 5 gegenüber der stark perforierten Gegenelektrode 6. Das für die Ausbildung der einseitigen Richtwirkung verantwortliche phasendrehende RC-Glied ist durch die von einem Hohlraum dargestellte Kapazität C und den akustischen Reibungswiderstand R gebildet. Über den Kanal 7 und den engen einstellbaren Spalt R' führt eine Verbindung zu dem Raum C", dessen akustische Impedanz sehr viel kleiner ist als der durch den engen Spalt gebildete Reibungswiderstand R', so daß die Wirkung dieses Widerstandes weit überwiegt und bei Beachtung der erfindungsgemäßen Dimensionierung den angestrebten Effekt hervorruft.

Im Ersatzschaltbild F i g. 3 ist Z₀ die akustische Impedanz der Membran5, p₀ und ρ_ϋ+Ά/ρ sind die antreibenden Kräfte in zwei verschiedenen Punkten des Schallfeldes. Die übrigen Bezeichnungen entsprechen den gleichlautend benannten Elementen des Schaltbildes Fig. 2.

Es wurde bereits erwähnt, daß der zusätzliche regelbare oder einstellbare akustische Reibungswiderstand auch in Reihe zur Kapazität des die einseitige Richtwirkung erzeugenden phasendrehenden Gliedes gelegt werden kann. F i g. 4 zeigt schematisch im Querschnitt eine solche Anordnung, zu der F i g. 5 das entsprechende Ersatzschaltbild darstellt. Mit 5 und 6 sind wieder Membran und Gegenelektrode bezeichnet. Die Gegenelektrode 6 ist hier als Reibungswiderstand ausgebildet, der mit dem ringförmigen Raum C das phasendrehende Glied ergibt. Erfindungsgemäß ist nun der niedere Raum hinter der Membran 5 über einen akustischen Reibungswiderstand R", der dem Parallelwiderstand R' in F i g. 2 entspricht, mit der Kapazität C verbunden. Der Reibungswiderstand R" wird hier ebenfalls durch einen engen, einstellbaren Schlitz oder Spalt gebildet.

Wie sich der erfindungsgemäße Vorschlag in der Praxis umsetzen läßt, zeigt schließlich F i g. 6. Der als zylindrischer, stabförmiger Körper ausgebildete Schallempfänger besitzt einen schalldurchlässigen Teil 7 und einen Gehäuseteil 10. Auf diesem Gehäuseteil befinden sich beispielsweise ringförmige Einstellglieder 8,9, die mit Skalen mit Entfernungsangaben zusammenwirken, so daß für jede Besprechungsentfernung sowohl die Rückwärtsdämpfung als auch der Ausgangspegel auf optimale Übertragungsverhältnisse eingeregelt werden können. Wie bereits erwähnt, können die Einstellglieder auch koppelbar sein oder von einem gemeinsamen Organ betätigt werden.

Schließlich sei noch darauf hingewiesen, daß ein solcher Wandler mit einem phasendrehenden Glied zur Einstellung verschiedener Richtcharakteristiken in an sich bekannter Weise auch symmetrisch mit zwei Membranen aufgebaut werden kann.

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Schallempfänger mit einseitiger, gegebenenfalls einstellbarer Richtcharakteristik, mit einem oder mehreren nach dem elektrostatischen Prinzip arbeitenden Wandlersystemen, dadurch gekennzeichnet, daß zum Ausgleich des Einflusses einer Beschallung aus jeweils verschiedenen Entfernungen wenigstens einem der eingebauten Wandlersysteme veränderbare, frequenzabhängige, elektrische und/oder akustische Dämpfungsglieder zugeordnet sind, die über Einstellglieder, die mit Entfernungsangaben tragenden Skalen, Markierungen, Symbole od. dgl. zusammenwirken, verstellbar sind.

2. Schallempfänger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er zwei elektrostatische Wandlersysteme enthält, von denen eines als Druckempfänger, das andere als Druckgradientenempfänger ausgebildet ist und beide Systeme elektrisch zusammengeschaltet sind, wobei die frequenzabhängigen elektrischen und bzw. oder akustischen Dämpfungsglieder dem Druckgradientenempfänger zugeordnet sind, so daß bei diesem Wandler der Anstieg des Gradienten bei den tiefen Frequenzen im Kugelschallfeld (Nahschallfeld) kompensierbar ist.

3. Schallempfänger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schallempfänger nur ein einziges Wandlersystem mit einseitiger Richtcharakteristik enthält, das mit einem phasendrehenden, akustischen i?C-GMed ausgerüstet ist, dessen akustischer Kapazität ein veränderbarer akustischer Reibungswiderstand zugeordnet ist, der entweder in Reihe mit der oder parallel zur genannten Kapazität liegt.

4. Schallempfänger nach den Ansprüchen 1

und 3, dadurch gekennzeichnet, daß in dem elektrischen Übertragungsweg des Wandlersystems zusätzlich ein regelbares, frequenzabhängiges elektrisches Dämpfungsglied, vorzugsweise ein ÄC-Glied, eingefügt ist.

In Betracht gezogene Druckschriften:

Deutsche Patentschriften Nr. 927 037, 924 807, 821,920 311;

deutsche Auslegeschrift Nr. 1044 170.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

409 507/304 1.64 © Bundesdruckerei Berlin