DE2235169C3 - Richtmikrophon - Google Patents

Description

die Rohre so angeordnet sind, daß sie das Schall- sind,

feld an verschiedenen Punkten auf einer Geraden
abtasten, und die in den beiden Gradientmikro- 15

phonen entwickelten Signale von einem beiden Die Erfindung bezieht sich auf einen elekim-

Gradientmikrophonen gemeinsamen Wandler (17, akustischen Wandler und insbesondere auf ein Richt-18) dilTerentiell kombiniert (Fig. 3) werden. mikrophon mit einseitiger Richtcharakteristik.

2. Mikrophon nach Anspruch 1, dadurch ge- Richtmikrophone werden in einer Vielzahl von

kennzeichnet, daß die ersten und zweiten Gra- 20 Tonfrequcnz-Fernmeldesystemen zur Hervorhebung dientmikrophone sich in erste und zweite selektiv schwacher Signale in einer geräuschvollen Umgebung dimensionierte akustische Hohlräume teilen, daß und zur Verringerung der Nachhalleffekte verwende!, der Wandler die beiden akustischen Hohlräume Solche Mikrophone finden auch in Situationen Anzuni dillerentiellen Umsetzen von den Hohl- wendung, bei denen Schallungen einen ungünstigen räumen zugeführten akustischen Signalen in 25 Einfluß auf die Qualität der Schallübertragung haben, elektrische Signale trennt, daß die beiden dia- Mikrophone stehen mit vielen unterschiedlichen mctral entgegengesetzten Rohre der ersten und Empfindlichkeitsdiagrammen, und zwar von Diazweiten Gradientmikrophone in ersten und zwei- grammen entsprechend allseitiger Schallaufnahme ten Längen vorgesehen sind, daß die Rohre des bis zu Diagrammen mit einseitigen Richtcharakteristiersten Gradientmikrophons jeweils in den ersten 30 ken zur Verfügung. In Tonstudioanwendungsfällen bzw. zweiten Hohlraum münden und aus den u. dgl. wird weitgehend das Richtmikrophon mit einHohlräumen so weit vorstehen, daß sie das seitiger Schallaufnahme verwendet. Schallfeld an ersten, in einem vorgegebenen Ab- Richtmikrophone, z. B. Druckgradientenmikro-

stand voneinander liegenden Punkten auf der phone erster Ordnung (Kardioide) oder Druckgra-Gcraden abtasten, daß die Rohre des zweiten 35 dientenmikrophone zweiter Ordnung sprechen vor-Gradicnimikrophons jeweils in den ersten bzw. nehmlich auf aus einer Richtung kommenden Schallzweiten Hohlraum münden und aus den Hohl- druck an. Ein Kardoiddiagramm (Nierendiagramm) räumen so weit vorstehen, daß sie das Schallfeld erster Ordnung wird dadurch erreicht, daß man den an zweiten, in dem vorgegebenen Abstand von- Ausgang eines druckempfindlichen Elements gegeneinander liegenden Punkten abtasten, und daß 40 phasig mit dem verzögerten Ausgang eines zweiten die Abtast- bzw. Schallaufnahmeenden der in den druckempfindlichen Elements kombiniert, das von ersten Hohlraum mündenden Rohre weiter von- dem ersten druckempfindlichen Element ein:a im einander entfernt sind als die Abtast-bzw. Schall- Vergleich zur Schallwellenlänge kleinen Abstand hat. aufnahmeenden der in den zweiten Hohlraum Ein Gradientendiagramm zweiter Ordnung wird damündenden Rohre. 45 durch erreicht, daß man den Ausgang eines Druck-

3. Mikrophon nach Anspruch 1 oder 2, da- gradientenelements gegenphasig mit dem verzögerten durch gekennzeichnet, daß der Wandler einen Ausgang eines anderen Druckgiadientenelements Folien- bzw. Blattelektreten aufweist. kombiniert, das von dem ersten einen im Vergleich

4. Mikrophon nach Anspruch 2, dadurch ge- zu einer Wellenlänge kleinen Abstand hat. Bei einikennzeichnet, daß die Rohre der ersten Länge 50 gen Mikrophonen wird die Verzögerung durch ein um ein Maß länger als die Rohre der zweiten mit dem Mikrophon integriertes akustisches Netz-Länge gewählt sind, das auf den Abstand zwi- werk erreicht, z. B. durch einem Schallfeld an vorsehen dem Abtast- bzw. Schallaufnahmepunkt gegebenen Stellen ausgesetzte Hohlraumanordnundes in den ersten Hohlraum mündenden Rohres gen oder durch Anordnungen von in Abstand angeder ersten Länge und dem Abtast- bzw. Schall- 55 ordneten akustischen Rohren, welche an vorgegebeaufnahmepunkt des in den zweiten Hohlraum nen Punkten in einem Schallfeld offen sind. In andemündenden Rohres der zweiten Länge be- ren Mikrophonen sind elektrische Verzögerungsnetzzogen ist. werke zwischen den beiden Wandlerelementen einge-

5. Mikrophon nach Anspruch 3 oder 4, da- setzt, um ein gewünschtes Richtdiagramm zu erreidurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der 60 chen. Jede dieser bekannten Anordnungen erfordert Längendifferenz zwischen den Rohren der ersten einen komplizierten und aufwendigen Aufbau. Außer- und der zweiten Länge zum Abstand auf der Ge- dem benötigt das elektrische Verzögerungssystem raden zwischen dem Abtast- bzw. Schall- häufig Hilfsenergien. Es liegt auf der Hand, daß ein aufnahmepunkt des in den ersten Hohlraum für eine Vielzahl unterschiedlicher Anwendungsfälle mündenden Rohres der ersten Länge und einem 65 geignetes Mikrophon relativ einfach aufgebaut sein, der in den zweiten Hohlraum mündenden Rohre vernünftig kleine Abmessungen haben und ohne alle der zweiten Länge gleich ist. überflüssigen elektronischen Geräte und leistungsauf-

6. Mikrophon nach Anspruch 2, dadurch ge- nehmende Elemente auskommen sollte.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, do η Nacliieilen bekannter Mikrophonanordnungen durch Schaffung eines einfachen, gedrängt gebauten elektrischen Wandlers zu begegnen, der eine Richtcharakteristik mil einseitiger Schallaufnahme hai.

Zu diesem Zweck ist das erfiiiiiungsgemaik· Riclumikrophon aus zwei Gradientenmikrophonen erster Ordnung aufgebaut. Die Reibwirkung wird dadurch erreicht, daß das Ausgangssignal eines Gradientenmikrophons erster Ordnung mit dem verzögerten Ausgansgsignal eines anderen, räumlich ".ersetzten, jedorh in einer Linie ausgerichteten Gradientenmikrophons entgegengesetzter Polarität addiert bzw. überlagert wird. Erfindungsgemäß wird die erforderliche Verzögerung mit Hilfe von zwei Paaren von Sensorrohren unterschiedlicher Längen hervorgerufen. Die Rohre sind so angeordnet, daß sie ein Schaltfeld an vier verschiedenen Punkten auf einer geraden Linie abtasten. Akustische Signale von zwei diametral entgegengesetzten Rohren, von denen eines kurz und eines lang ist, werden in einem Hohlraum summiert, und akustische Signale von zwei anderen, diametral entgegengesetzten Rohren, von denen eines kurz und das andere lang ist, werden in einem anderen Hohlraum summiert. Die in den beiden Hohlräumen entwickelten Signale werden von einem zwischen den Hohlräumen angeordneten Elektretwandler dillerentiell kombiniert. Durch geeignete Wahl der Rohrlängen und -anordnung läßt sich die zur Erzielung der Richtcharakteristik erforderliche Signalverzögerung direkt ohne andere elektrische oder mechanische Mittel erreichen.

Im folgenden wird die Erfindung an Hand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 ein einseitig schallaufnehmendes Richtmikrophon, das erfindungsgemäß aufgebaut ist,

Fig. 2 eine schematische Schnittansicht durch das in Fig. 1 dargestellte Richtmikrophon,

Fig. 3 eine schematische Darstellung des Konzeptionsprinzips des erfindungsgemäßen Mikrophons, wobei die Kombination von zwei Gradientenmikrophonen erster Ordnung zur Erzielung der Richtcharakteristik gezeigt ist, und

Fig. 4 ein Richtdiagramm eines einseitig aufnahmefähigen Richtmikrophons gemäß der Erfindung für verschiedene physikalische Abmessungen.

in Fig. 1 ist ein die Prinzipien der Erfindung verkörperndes Mikrophon, das für zahlreiche Anwendungsfälle geeignet ist, in einer gedrängten, festen Bauweise dargestellt. Das in Fig. 1 gezeigte Mikrophon weist zwei Druckgradientenwandler erster Ordnung mit entgegengesetzten Polaritäten, die in gegenseitigem Abstand angeordnet sind, ein Verzögerungssystem und eine Anordnung zum Addieren bzw. Überlagern des Ausgangssignals eines derGradientenwandler und des verzögerten Ausgangssignals des anderen Wandlers auf. Es ist zu erkennen, daß die Summation der Signale der beiden Gradientmikrophonsysteme entsprechend dem bekannten Gradäentprinzip zu einem einseitigen Rieht- bzw. Empfindlichkeitsdiagramm führt. Erfindungsgemäß wird jedoch sowohl die Signalverzögerung als auch die Signalsummation durch den konstruktiven Aufbau erreicht, ohne daß zusätzliche elektrische Komponenten benötigt werden.

Ein Schallfeld wird an vier ausgewählten Punkten auf einer Geraden mit Hilfe von zwei Paaren von akustischen Rohren 10 und 12 sowie 11 und 13 abgetastet, weiche akustische Signale in ein zylindrisches Gehäuse 14 einführen. Die Rohre 10 und 12 haben gleiche Lunge und führen Schall von zwei getrennten Punkten auf einer den Durchmesser des zylindrischen Gehäuses 14 schneidenden Geraden ein. Die Signale von den Rohren 10 und 12 werden in obere bzw. untere Hohlräume im Gehäuse 34 eingeführt und dienen dazu, gegenüberliegende Seiten ίο eines zwischen den Hohlräumen in einer zur Gehäuselängsachse rechtwinkligen Ebene liegenden Wandlers 20 differential anzuregen. Der Wandler 20 teilt das Gehäuse tatsächlich in zwei getrennte Hohlräume. Das System der Rohre 10 und 12, die beiden is Hohlräume und der Wandler 20 bilden zusammen ein Oradienimikrophon erster Ordnung.

Die Rohre 11 und 13 haben in ähnlicher Weise gleiche Länge, jeJoch ist die Länge des Rc '.rpaares Ii und 13 von derjenigen des Rohrpaares 10 und 12 so verschieden. Die Röhrt 11 und 13 tasten ein Schallfeld an zwei Punkten auf der durch einen Gehäusedurchmesser laufenden gleichen Geraden ab. Signale aus den Rohren werden jeweils in den oberen und unteren Hohlraumtcil des Gehäuses geführt und dieas nen dazu, einander gegenüberliegende Seiten des Wandlers dilfercnticll zu erregen. Das aus den beiden Rohren 11 und 13, den beiden Hohlräumen und dem Wandler bestehende System bildet ein weiteres Gradientenmikrophon erster Ordnung.
Der Innenaufbau des Wandlers gemäß F i g. 1 ist in F i g. 2 dargestellt. Es ist zu sehen, daß das Gehäuse 14 von einer Wandleranordnung, die rechtwinklig zurGehäuscachsc gehaltert ist, in zwei Innenhohlräume 15 und 16 unterteilt ist. Der Wandler besteht aus einer gelochten Grundplatte 17 und einem Blättchenelektret 18, der in unmittelbarer Nähe der gelochten Grundplatte 17 angebracht ist. Der Blättchenelektret 18 dichtet die beiden zylindrischen Hohlräume voneinander ab. Der Hohlraum 15 nimmt die akustische Energie vom Rohr 10, einem längeren Rohr, und vom Rohr 11, einem kürzeren Rohr, auf, wobei beide Rohre so angeordnet sind, daß sie ein Schallfeld auf einer geraden Linie, ζ. ΪΪ. auf einem Durchmesser des Zylinders, abtasten. Die Rohre 10 und 11 bilden Teile von zwei verschiedenen Gradienlmikrophonsystemen; ihre Schallsignale werden effektiv in dem Hohlraum 15 addiert. Der untere Hohlraum 16 wird vom Rohr 12, einem längeren Rohr, und vom Rohr 13, einem kürzeren Rohr, beaufschlagt, wobei beide Rohre so angeordnet sind, daß sie das Schaltfeld an Punkten auf derselben geraden Linie wie die Abtastepunkte der Rohre 10 und und 11 abtasten. Die Rohre 12 und 13 bilden Teile von zwei verschiedenen Gradientmikrophonsystemen; ihre Schallsignale werden im Hohlraum 16 addiert. Das Funktionsprinzip des neuen Richtmikrophons ist schematisch in Fig. 3 angegeben. In der Figur stellt d., den Abstand der offenen Außenenden der akustischen Rohre 10 und 12, die zusammen ein Gradientmikrophon erster Ordnung bilden, und ferner den Abstand der offenen Außenenden der akustischen Rohre 11 und 13 dar, die zusammen ein anderes Gradientmikrophon erster Ordnung bilden. Der Abstand (I₁ stellt den Abstand zwischen den Rohren «5 der beiden Gradientsysteme dar. Die kurzen Rohre 11 und 13 gehören zu einem Gradienten mit geringer Verzögerung, während die langen Rohre 10 und 12 zu einem Gradienten mit großer Verzögerung ge-

hören Wenn die I.iingendifTcrenz der beiden Rohrpaare mit f/., bezeichnet wird, so ergibt sich die Zeitverzögerung r der beiden Ciradientwandler zu r/.,/c, wobei c die Schallgescliwindipkeil ist. Die erforderliche Verzögerung τ für den Richtwandler wird allein von dem System der akustischen Rohre entwickelt. Das System ist in F i g. 3 als Element 30 dargestellt, um die Funktionsbeziehisngcn anzudeuten.

Bei einem herkömmlichen System werden Signale von zwei Ciradientmikrophonen einzeln summiert, die Signale aus einem Mikrophon verzögert, ?.. M. im Verzögerungssystem 30, und die beiden resultierenden Signale sodann addiert, z.B. im Addierer 31. Erfindungsgemäß erfolgt demgegenüber die Addition von Signalpaaren direkt in den entsprechenden Hohlräumen, und die erforderliche Verzögerung wird direkt durch die Auswahl, Dimcnsionicrung und Anordnung des Systems aus akustischen Rohren ciziclt.

Einzelheiten der Konstruktion eines Hohlraumwandlers nebst akustischem Rohr sind in der deutschen Olfenlcgungsschrift 2 002 524 beschrieben. Das dort beschriebene Richtmikrophon erreicht eine ringförmige Richtcharakteristik. Da die Elemente des neuen Richlmikrophons denjenigen der zuvor genannten deutschen Patentanmeldung ähneln, werden Erläuterungen über die Art der Herstellung und des Zusammenbaus hier fortgelassen.

Bei einer typischen Wandlcreinhcit 20, die in der Praxis Verwendung findet, besteht die Rückplatte 17 aus einer Messingscheibe von 4 cm Durchmesser mit K)(I Bohrungen eines Durchmessers von 0,08 cm und mit vier kreisförmigen Rippen auf einer Oberfläche, die jeweils eine Höhe von 25,4 Mikrometer haben. Das Elektretblätlchen 18 besteht dabei aus einer 25,4-nm-Schicht aus Fluoräthylcnpropylcn; die Schicht ist einseitig metallisiert und vorzugsweise unter Verwendung einer Elektronenstrahlmethodc aufgeladen. Der von der Rückplatte und dem Elektrctblättchcn gebildete Wandle! ist so angebracht, daß die beiden im Gehäuse 14 gebildeten Kammern gegeneinander abgedichtet sind. In der Praxis ist eine der beiden Kammern volumenveränderlich, wobei zur Einstellung des Volumens beispielsweise ein Schraubenkolben od.dgl. voriiesehen ist, der ein Abstimmen der akustischen (Helmholtz-) Resonanzen des Rohr-Hohlraumsystems ermöglicht. Elektrostatische Wandler mit perforierten Rückplatten und Blattelektretmembranen sind bekannt. Einzelheiten der Herstellung der Rückplattc, der Rippenstruktur u. dgl. sind in ähnlicher Weise bekannt und beispielsweise beschrieben in der deutschen Patentschrift 1 190 040.

Bei clem praktischen Ausführungsbeispiel waren die verwendeten Rohre 10 und 12 5 cm lang, während die Rohre 11 und 13 jeweils eine Länge von 3.5 cm hatten. Die beiden Rohrpaare hatten lnnen- bzw. Außendurchmesser von 0.22 bzw. 0,32 cm. Alle Rohre waren an ihren Enden offen und mit etwa on mg Stahlwolle gefüllt, um akustische Resonanzen zu dämpfen

Jeder Hohbnum und die ihm zugeordneten Rohre bilden daher ι inen Helmholtz-Resonator oder ein akustisches Iu■ ■'.»aUliltcr. Wenn man die Resonanzfrequenz im (mi en Ende des in Betracht stehenden Erequenzhcii'i' ' hält, so wird eine Kompensation der ι..-'-Abbaut¹ · it der Empfindlichkeit des Systems, wie sie ivi olgend erläutert wird, erreicht.

Da alle \ui ¹^ ^>rcn Ivvv Fühler so angeordnet sind, daK ein Schaltfeld an auf einer Geraden licgcngen Punkten abgetastet wird, ist das Richtdiagramm des Wandlers rotationssymmetrisch. Die Addition der Ausgangsspannungen beider Gradientsysteme lülirt daher zu einem Empfmdlichkcitsdiagramin lV, das gegeben ist durch

Λ' rr. A Uk₁L₂) I expert,) -I- exp(i"JW₃)l (1)

το wobei A eine von der Frequenz und dem liinfallwinkcl H relativ zur Rotationsachse des Systems unabhängige Proportionalilätskonstante,/ der Imaginäroperator, k die Kreiswcllcnzahl, k — k cos θ ist und d_vd₂ und i/_:1 die in Fig. 3 dargestellten Abstände in cm darstellen. Für kil_x < 1 und M₁ < 1 kann geschrieben werden

S = A (/*</,) (/"JW, + /JW₃)
- A (A²J₂ cos H) (ti, + rf, cos β) (2)

».ο Die Empfindlichkeit S des Systems ergibt sich bei einem konstanten Einfallwinkel aus Gleichung (2) und ist gegeben durch

S --■= Hk*- r-

wobei B eine von der Frequenz unabhängige Proportionalitätskonstante ist und (D die Winkclfrcquen/ darstellt. Die Empfindlichkeit ist daher proportional zum Quadrat der Frequenz.

Bei konstanter Frequenz und für d, — </., ergibt sich die Empfindlichkeit S ebenfalls aus Gleichung (2) durch

S - DtosM(l I cos M) (4)

wobei /) eine vom Einfallwinkel unabhängige Pro portionalitätskonstante ist. Das Richtdiagramm K' daher durch ein Maximum bei θ = 0°, Null-Steil· bei (-) — 90 und 180° und zwei Nebenkeulcn H -- 120" gekennzeichnet. Theoretische Rieht · gramme des Wandlers für eine Anzahl von Vcrhiü nisseri r/._t/</, sind in den in Fig. 4 dargestellten Di:' grammen aufgeführt.

Frequenzgangmessungen, die mit dem in der Praxis erprobten Wandler durchgeführt wurden, zei gen, da« die Empfindlichkeit für « —- 0" innerhalb von 2 db von 250 Hz bis 3 kHz liegt. Der Frequenzgang für H -= 90 und 180° ist um 10 bis 20 db niedriger als der Frequenzgang für Θ = 0" über den größten Teil des Fernsprechbandes. Die Hclmhoilz-

5" Resonanz des Systems trägt zur Kompensation und zum Abgleich des Systems bei. Das gemessene Rieh tungsmaß für das oben im einzelnen beschriebene Mikrophon beträgt etwa 8 db im Vergleich zu einem berechneten Wert von 8,7 db.

Selbstverständlich können die genaue Empfind lichkeit und die Richtdiagramme für den Wandlet durch Änderung der Gesamtgröße der Einheit, dei relativen Abmessungen der Hohlräume und der Längen der Rohre geändert werden. Bei solchen Ab

fio Wandlungen müssen die Beziehungen unter den vcr schiedencn Elementen natürlich aufrcchtcrhalter bleiben, um die beschriebenen Ergebnisse zu erzie len. Es ist zu erkennen, daß die einseitige Aufnahme charakteristik des Mikrophons zu einem Nierendia gramm entartet, wenn nur zwei der Rohre verwende werden, um Signale dem System zuzuführen, vvobe ein kurzes Rohr in einen Hohlraum und ein lange Rohr in den anderen Hohlraum mündet.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (8)

1 2

kennzeichnet, daß die Hohlräume zylinda eh

Patentansprüche: ausgebildet sind und daß der Wandler zwischen

i. Mikrophon mit einer durch Kombination den' Hohlräumen in einer zu deren" Achse reebt-

des Ausi;anissi»nals eines ersten Gradientmikro- winkligen Ebene gehaltert ist.

phons erster Ordnung mit dem verzoaerlen Aus- 5

7. Mikrophon nach einem der Ansprüche |

gangssignal entgegengesetzter Polarität eines bis (\ dadurch gekennzeichnet, daß alle Rohre

zweiten" Gradienimfkrophons erster Ordnung ent- mit Mitteln zur Dämpfung akustischer Rescna;:-

wickelten Richtcharakteristik, dadurch ge- zen ausgestattet sind.

kennzeichnet, daß jedes der Gradient-

8. Mikrophon nach Anspruch 2, dadurch ^e-

mikrophone einem Schallfeld durch ein Paar von io kennzeichnet, daß die Hohlräume so bemessen diametral entgegengesetzten Rohren (10, 11, 12, sind, daß sie am unteren Ende des fur das Mikro-

13) vorgegebener Längen ausgesetzt ist, wobei phon vorgesehenen Frequenzbereichs resonant