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Röhrenmikrophon Die Erfindung betrifft ein Röhrenmikrophon, insbesondere
ein Ständermikrophon, bei dem eine akustische Sprechkapsel am oberen Ende einer
akustischen Übertragungsleitung befestigt ist, die aus Teleskoprohren besteht und
an deren unteres Ende ein widerstandsgesteuerter Wandler oder ein Mikrophon angeschlossen
ist.
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Es ist bekannt, daß akustische Übertragungsrohre, die an jeder Stelle
eine gleiche Querschnittsläche haben, einer elektrischen Übertragungsleitung äquivalent
sind, die eine konstante elektrische Verteilung besitzt. Ein akustisches Übertragungsrohr
hat bessere Übertragungseigenschaften, weil stehende Wellen im Rohr unterdrückt
werden, wenn am Eingangs- und Ausgangsende des Rohres entsprechende akustische Widerstände
vorgesehen sind. Wenn ein Röhrenmikrophon durch Verbindung des akustischen Rohres
und eines Mikrophons hergestellt wird, dann muß die Schallquelle in die Nähe des
empfangsseitigen Endes des akustischen Rohres gebracht werden, damit wirksam Schall
aufgenommen werden kann.
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In einem solchen Fall ist es bequem, daß das akustische Rohr aus einer
Mehrzahl von Rohren zusammengesetzt wird, die teleskopartig ineinandergesetzt sind,
so daß die Länge des Rohres wie bei einer Posaune eingestellt werden kann.
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Im allgemeinen besteht ein solches bekanntes Teleskoprohr jedoch aus
einem äußeren Rohr mit einem verhältnismäßig großen Durchmesser und aus einem inneren
Rohr mit einem verhältnismäßig kleinen Durchmesser, so daß an der Übergangsstelle
der Rohre eine Diskontinuität im Durchmesser vorhanden ist.' Durch diese Diskontinuität
werden die akustischen Übertragungseigenschaften verschlechtert, da der Schall an
der diskontiuierlichen Stelle reflektiert wird, so daß nicht erwartet werden kann,
daß das Mikrophon gute Eigenschaften hat.
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Aufgabe der Erfindung ist es, die Schallreflexion an der Verbindungsstelle
der Rohre zu verringern und dadurch die Übertragungseigenschaften zu verbessern.
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Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß der untere, feststehende Rohrteil
der Teleskopanordnung eine sehr geringe Wandstärke aufweist und daß ein zweites,
ausziehbares Teleskoprohr auf der Außenseite des feststehenden Teleskoprohres verschiebbar
sitzt und im Bereich des freien Endes des feststehenden Teleskoprohres in einer
Führung geführt ist, welche am oberen Ende eines koaxial zum feststehenden Teleskoprohr
um dieses herum mit Abstand verlaufenden, mit dem Ständer verbundenen Stützrohres
angeordnet ist.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Sprechkapsel
an dem oberen, verschiebbaren Rohr befestigt, wobei die Schallwellen an der Sprechkapsel
empfangen werden. Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, daß ein widerstandsgesteuertes
Mikrophon mit dem unteren Ende des feststehenden Rohres verbunden ist. Die gesamte
akustische Übertragungsanlage erhält dadurch eine ausgezeichnete akustische Anpassung,
wodurch die Frequenzabhängigkeit verbessert wird.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin,
daß im Ständer ein abgedichteter Behälter vorgesehen ist, welcher mit dem feststehenden
Rohr verbunden ist. Der durch den Behälter abgeschlossene Raum dient zur akustischen
Abschirmung der Einheit.
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Vorteilhaft kann die Difraktionswirkung der Schallwellen an der Sprechkapsel
zum Ausgleich der Frequenzabhängigkeit verwendet werden.
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Die Erfindung wird im folgenden an Hand der Zeichnungen beschrieben.
Es zeigt F i g. 1 einen Teilschnitt durch ein gemäß der Erfindung ausgebildetes
Röhrenmikrophon, F i g. 2 eine größere Ansicht einer Sprechkapsel oder eines Mundstückes
zur Aufnahme der von
außen kommenden Schallwellen, wobei auch die
Mittel zur Verbindung der Sprechkapsel mit dem oberen Ende eines akustischen Rohres
dargestellt sind, F i g. 3 einen Schnitt durch einen widerstandsgesteuerten Übertrager
oder ein dynamisches Mikrophon, wie es gemäß der Erfindung vorzugsweise verwendet
wird, wobei auch die Verbindungsmittel zwischen dem Mikrophon und dem unteren Ende
eines akustischen Rohres dargestellt sind, F i g. 4 eine elektrische Ersatzschaltung
eines gemäß der Erfindung ausgebildeten Röhrenmikrophons, F i g. 5 eine charakteristische
Kurve, durch welche die verbesserte Frequenzabhängigkeit des erfindungsgemäßen Röhrenmikrophons
erläutert wird, und F i g. 6 eine andere Frequenzkurve eines gemäß der Erfindung
ausgebildeten Röhrenmikrophons im Vergleich mit einem üblichen Mikrophon.
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Bei der in F i g. 1 gezeigten Ausführungsform ist ein oberes, bewegliches
Rohr 1 luftdicht auf die Außenfläche eines unteren, stationären Rohres 2 aufgeschoben,
so daß insgesamt ein akustisches Teleskoprohr gebildet wird. Vorzugsweise wird eine
geringe Menge eines Schmieröls, z. B. eines Fettes, zwischen die Kontaktflächen
der beiden Röhren 1 und 2 gegeben, um die Teleskopverschiebung zu erleichtern. Das
bewegliche Rohr 1 besteht vorzugsweise aus einem Metallrohr, dessen Innendurchmesser
in der Größenordnung von 6 bis 8 mm liegen kann, während das stationäre Rohr 2 vorzugsweise
aus einem Metallrohr besteht, dessen Wandstärke außerordentlich gering ist, z. B.
0,3 mm beträgt, damit die Diskontinuität der Querschnittsfläche an der Verbindungsstelle
der beiden Rohre möglichst klein wird. Die Wandstärke des stationären Rohres 2 ist
also möglichst gering, und das stationäre Rohr ist koaxial und teleskopartig in
das bewegliche Rohr l eingeschoben, so daß die von dem beweglichen Rohr in das stationäre
Rohr eintretenden Schallwellen nicht am Ende des stationären Rohres 2 reflektiert
werden. Wie aus der obigen Beschreibung hervorgeht, ist es erforderlich, die Dicke
der Wand des stationären Rohres 2 möglichst gering zu machen. Eine Folge davon ist,
daß das stationäre Rohr selbst schwach wird.
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Zur Verstärkung wird das stationäre Rohr 2 von einem äußeren Rohr
3 umgeben und gestützt, das auch als akustische Abschirmung zur Isolierung des stationären
Rohres von von außen kommenden Schallwellen dient. Das stationäre Rohr 2 und das
äußere Rohr 3 sind vermittels eines oberen Ringgliedes 4 und eines unteren
Ringgliedes 4' koaxial verbunden, wobei diese Ringglieder zwischen diese
Rohre etwa in der Mitte zwischen dem oberen Rand des stationären Rohres und dessen
unterem Rand eingesetzt sind. Das obere Ringglied 4 dient auch als ; Anschlag für
das bewegliche Rohr 1, dessen unteres Ende an dem Ringglied anschlägt, und dieses
Ringglied besteht vorzugsweise aus weichem Gummi, damit eine Vibration vermieden
wird, die durch das Anschlagen hervorgerufen werden könnte. i Das obere Ende des
äußeren Rohres 3 hat ein Außengewinde, und auf dieses Gewinde ist eine kappenförmige
Mutter 9 aufgeschraubt, durch deren Mittelöffnung das bewegliche Rohr 1 geführt
ist.
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Zwischen der Mutter 9 und dem oberen Ende des i äußeren Rohres 3 ist
ein Ringglied 4" aus Gummi eingesetzt, das durch die Mutter 9 so dicht an die äußere
Wand des beweglichen Rohres 1 gepreßt wird, daß das bewegliche Rohr im oberen Ende
des äußeren Rohres 3 in der eingestellten Stellung gehalten wird.
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Wie in F i g. 2 gezeigt, ist am oberen Ende des beweglichen Rohres
1 eine Sprechkapsel 7 befestigt, die einen konvexen Umriß hat, um die Schallwellen
aufnehmen zu können. Innerhalb der Sprechkapsel 7 ist ein akustisches Widerstandskissen
11 befestigt, das zwischen zwei Drahtnetzen 12 gelagert ist, die am Ende des Rohres
befestigt sind.
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Dieses Kissen dient als akustischer Widerstand an der Eintrittsseite
der übertragungsleitung und unterdrückt stehende Schallwellen im Rohr.
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Vorzugsweise wird für dieses Kissen Filz oder eine Seidenlage verwendet,
die eine Dicke von 1 bis 2 mm hat. Darüber hinaus ist auch vorzugsweise als Staubschutz
ein Metallnetz 13 vorgesehen, das an der Vorderseite der Kapsel 7 befestigt ist
und das keinen Staub in die Öffnung der Sprechkapsel eintreten läßt, damit das Kissen
nicht beschädigt oder verformt wird.
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Wie in F i g. 3 gezeigt, ist das untere Ende des stationären Rohres
2 akustisch mit einem Kopplungsrohr 6 einer elektroakustischen übertragungseinheit
T gekoppelt. Ein Teil des Kopplungsrohres 6 kann durch ein Verbindungsstück 30 gebildet
werden, das mit einem Flansch 31 ausgestattet ist, der mit Schrauben am Ständer
8 befestigt ist.
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Der obere Teil des Verbindungsstückes 30 ist in das untere Ende eines
Sockels 32 eingeschraubt. Das obere Ende des Sockels ist mit dem unteren Ende des
äußeren Rohres 3 verschraubt, wobei gleichzeitig das untere Ende des stationären
Rohres 2 mit der Mittelbohrung 33 des Sockels 32 verbunden ist, der auch als anderer
Teil des Kopplungsrohres 6 ausgebildet sein kann.
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Das untere Ende des Verbindungsstückes 30 ist an das obere Ende des
Kernstückes der übertragungseinheit angeschraubt, und der andere Teil des Kopplungsrohres
6 wird durch das Polstück 34 gebildet. Ein akustisches übertragungsrohr besteht
also aus der Kapsel 7, dem Teleskoprohr 1, aus dessen Verbindungselementen,
aus dem stationären Rohr, aus dem Kopplungsrohr 6 und aus dem Polstück 34.
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Die Einleitung des Schalles in das akustische Rohr erfolgt mittels
der Kapsel 7, welche die Schallwellen aus dem Schallfeld aufnimmt, wobei diese Wellen
dann durch das Teleskoprohr 1, durch das stationäre Rohr 2, durch das Kopplungsrohr
6 der übertragereinheit T geleitet werden und schließlich an eine Membran 15 gelangen.
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Die sogenannten widerstandsgesteuerten elektroakustischen übertrager
sind zur Verwendung bei einem solchen Röhrenmikrophon durchaus geeignet. Bei einer
solchen übertragereinheit wird die Membran hauptsächlich durch einen Dämpfungswiderstand
gesteuert, der als Abschlußwiderstand eines Rohres wirkt, wenn die Membran akustisch
mit dem akustischen Rohr gekoppelt ist. Wenn der Dämpfungswiderstand einen angemessenen
Wert hat, dann arbeitet er mit dem Abschlußwiderstand oder Kissen 11 zusammen, um
im wesentlichen stehende Wellen im Rohr zu unterdrücken. Es können jedoch auch Wandler
mit bewegter Spule, mit bewegtem Band od. dgl. verwendet werden.
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F i g. 3 zeigt in einem Querschnitt als Beispiel einen Wandler mit
bewegter Spule. Die Schallwellen gelangen durch das Kopplungsrohr 6 zu der Abschlußöffnung
des
Rohres und versetzen die Membran 15 in Schwingung, die eng mit der Abschlußöffnung
gekoppelt ist. Um die Membran im wesentlichen mit der gleichen Intensität bis zu
einem höheren Frequenzbereich in Schwingungen zu setzen, muß der Spalt g1, der zwischen
der Abschlußöffnung des Kopplungsrohres 6 und der mitteren Kugelfläche der Membran
vorhanden ist, so schmal als möglich sein. Darüber hinaus ist ein akustisches Widerstandskissen
16 in der Nähe der Rückseite der Membran vorgesehen. Das Kissen 16 besteht vorzugsweise
aus einem Filztuch od. dgl" das zwischen zwei Metallplatten 17 unter Bildung einer
gekrümmten Oberfläche liegt, deren Randkante an der gestützten Kante der Membran
befestigt ist. Eine bewegliche Spule 15 ist an der Umfangskante der Membran befestigt
und im Luftspalt eines starken Magnetfeldes aufgehängt, das durch einen Permanentmagnet
18 erzeugt wird. Bei einem derartigen Wandler wird durch die Luftmoleküle, die durch
den Schalldruck komprimiert oder expandiert werden, die Membran durch das Kopplungsrohr
6 in Schwingungen versetzt, so daß die an der Rückseite der Membran vorhandenen
Luftmoleküle ebenfalls komprimiert oder expandiert werden. Die innere bzw. äußere
Metallplatte 17 enthält eine Mehrzahl von Öffnungen hl und h2, so daß die Einheit
derart atmen kann, daß die Luftmoleküle an der Rückseite der Membran durch die öffnungen
hl der inneren Platte entweichen können, was durch eine poröse Schicht des akustischen
Widerstandskissens 16, das aus Filz besteht, und durch die Öffnungen h2 der äußeren
Platte erleichtert wird, wobei diese Luftmoleküle in den abgeschlossenen Raum 19
eintreten können. Dieser abgeschlossene Raum 19 dient zur akustischen Abschirmung,
so daß die äußeren Schallwellen nicht zur Rückseite der Membran 14 gelangen können
und diese in Schwingungen versetzen, außer daß Schallwellen von der Kapsel ? durch
die Rohre geleitet werden und von vorn auf die Membran 14 auftreffen. Die Membran
14 ist derart durch das Kissen 16 gedämpft, daß die Eigenschwingung der Membran
unterdrückt wird, was zur Folge hat, daß die Membran in Abhängigkeit vom Schalldruck
in dem Kopplungsrohr 6 in Schwingungen versetzt werden kann. Das Kissen 16 dient
als Abschluß-Anpassungswiderstand für das akustische Rohr, so daß wenig stehende
Wellen in dem akustischen Rohr auftreten und das ganze akustische Übertragungssystem
für jede Frequenz des Schallwellenbereiches gleich gut arbeitet.
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So ist eine Schwingung mit konstanter Geschwindigkeit für die bewegte
Spule für einen konstanten Schalldruck innerhalb des Arbeitsbereiches des Frequenzbandes
zu erwarten, so daß man eine konstante induzierte Spannung an den Klemmen der Drähte
10 abnehmen kann.
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F i g . 4 zeigt ein elektroakustisches Ersatzschaltbild eines auf
diese Weise erhaltenen Mikrophonrohres. Dabei bedeutet F = Schwingungserreger
P - A, gegeben durch einen Schalldruck P zu der Öffnung des Mundstückes mit
der wirksamen Fläche A, r" = sendeseitiger akustischer Widerstand, der durch
das Widerstandskissen 11 der Kapsel des akustischen Rohres gegeben ist, mo = äquivalente
Masse des akustischen Rohres auf die Membran, ml, m2, m3 ... mit
= äquivalente Masse des akustischen Rohres bei Resonanz höherer Ordnung,
Cl, C2, C3 ... C" = äquivalenter Filterwiderstand des akustischen
Rohres bei Resonanz höherer Ordnung, r., r1, r2 ... r. = äquivalenter
akustischer Widerstand des Rohres, U = widerstandsgesteuerter elektroakustischer
Wandler, rB = äquivalenter akustischer Widerstand oder Ausgangswiderstand,
z. B. gegeben durch das Kissen 16 am empfangsseitigen Ende des akustischen Rohres
durch die Membran. Die Aquivalentschaltung zeigt, daß das akustische Rohr durch
den Widerstand rA am sendeseitigen Ende und den Widerstand rB am empfangsseitigen
Ende abgeschlossen wird.
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F i g. 5 zeigt mehrere Kurven bei verschiedenen Verhältnissen des
akustischen Rohres.
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Die Kurve a zeigt eine Frequenzabhängigkeit der elektromotorischen
Kraft an den Ausgangsklemmen einer elektroakustischen übertragereinheit bei konstantem
Schalldruck, wenn rA und rB zu klein für einen richtigen Wert sind. Diese Kurve
hat mehrere Maxima und Minima, welche den stehenden Wellen entsprechen, die in einem
Rohr auftreten, wenn beide Enden offen sind. a1 zeigt die Resonanz der äquivalenten
Masse m. des Rohres und die Filterwirkung der Membran. a2 bedeutet die stehende
Grundwelle, die durch die Länge des Rohres gegeben ist. Die Grundfrequenz
wobei C die Schallgeschwindigkeit, Z die Länge des Rohres bedeutet. Die Kurven
a3, a4 ... zeigen stehende Wellen höherer Ordnung an den Knotenpunkten.
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Bei einem akustischen Rohr, bei dem das Kissen 11 als akustischer
Widerstand rA und das Kissen 16 als Widerstand in der Mikrophoneinheit T dient,
damit beide Enden des akustischen Rohres angepaßt werden, können stehende Wellen
des akustischen Rohres praktisch eliminiert werden, obwohl ein gewisser Übertragungsverlust
auftritt, wie aus der Kurve b ersichtlich. Die Abhängigkeit wird allmählich weniger
im Gebiet höherer Frequenzen über 5000 Hz, was aus der Kurve b ersichtlich ist.
Der Grund dafür ist, daß die Masse der Membran 14
(einschließlich der Masse
der bewegten Spule) nicht vernachlässigbar ist und die akustische Kopplung zwischen
dem Kopplungsrohr 6 und der Membran 14 geringer wird. Darüber hinaus nimmt der übertragungsverlust
in dem akustischen Rohr in diesem Frequenzgebiet zu. In diesem Fall kann die Abhängigkeit
durch Druckstauung infolge der Diffraktionswirkung des Schalles an der Aufnahmeöffnung
der Kapsel 7 kompensiert werden.
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Die Druckstauung des Schalles macht es möglich, die Abhängigkeitskurve
im Frequenzgebiet von 50 bis 10000 Hz abzuflachen, so daß man bessere übertragungseigenschaften
erhält. Der Anstieg des Schalldruckes hängt vom Durchmesser D der Frontfläche der
Sprechkapsel 7 ab.
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Die Kurve C zeigt die Abhängigkeit, wenn der Durchmesser D 20 mm beträgt.
Eine solche bessere Abhängigkeit bei verhältnismäßig höheren Frequenzen der Schallwellen
kann erhalten werden, indem
der Durchmesser D im Bereich von 18
bis 22 mm gehalten wird. Um im höheren Frequenzbereich des Schalles eine gute Qualität
zu erhalten, wird der Durchmesser D bis zu 60 mm gemacht, so daß die Abhängigkeitsfunktion
einen ansteigenden Ast in der Gegend von 6000 Hz hat, wie aus der Kurve D ersichtlich,
wobei diese Kurve bei höheren Frequenzen jedoch plötzlich absteigt.
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F i g. 6 zeigt eine andere Abhängigkeitskurve Co eines Röhrenmikrophons,
das gemäß der Erfindung ausgebildet ist, verglichen mit einer Abhängigkeitskurve
b. eines üblichen Mikrophons. Bei diesem Versuch waren die Bedingungen für die zu
vergleichenden Mikrophone gleich, außer daß das obere, beweglicheRohr des erfindungsgemäßenMikrophons
teleskopartig auf die Außenfläche des stationären Rohres aufgeschoben ist, das eine
sehr dünne Wand hat, wie bei der Erläuterung der F i g. 1 ausgeführt wurde, während
das übliche Mikrophon ein bewegliches Mikrophon ist, das teleskopartig in ein stationäres
Rohr eingesetzt ist, das eine größere Wandstärke hat. Das heißt, der einzige Unterschied
liegt in der Art der Teleskopanordnung des beweglichen und des stationären Rohres.
Aus diesem Vergleich ersieht man, daß die Abhängigkeitskurve ao des erfindungsgemäßen
Mikrophons der Kurve bo des üblichen Mikrophons weit überlegen ist. Die Kurve ao
ist flacher und hat eine höhere Empfindlichkeit, um etwa 6 bis 7 db, als die Kurve
bo.
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Dies beruht hauptsächlich auf den folgenden Tatsachen: Das übliche
Mikrophon hat einen beachtlichen Luftspalt oder eine Kammer zwischen dem oberen,
beweglichen Rohr und dem unteren, stationären Rohr, das einen größeren Durchmesser
und eine größere Wandstärke hat, damit das obere, bewegliche Rohr sicher gehalten
wird, wodurch eine lockere Kupplung zwischen dem Rohr und der übertragereinheit
auftritt und stehende Wellen in den Rohren ausgebildet werden.
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Das erfindungsgemäße Mikrophon hat im Gegenteil keinen solchen Luftspalt
zwischen dem oberen, beweglichen Rohr und dem unteren, stationären Rohr, und es
treten keine stehenden Wellen und keine Reflexion von Schallwellen auf, wie oben
beschrieben wurde.
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Die Vorteile des gemäß der Erfindung ausgebildeten akustischen Rohres
sind im wesentlichen folgende: 1. Man kann wirksam Schallwellen aufnehmen, indem
die Länge der teleskopischen Rohre so eingestellt wird, daß die Kapsel 7 zur Schallquelle
zeigt. Darüber hinaus wird ein wirksamer akustischer Widerstand in der Kapsel ?
eingesetzt, so daß Störgeräusche durch die beim Atmen auftretende Luft- ; strömung
auf ein Minimum herabgesetzt werden, wenn der Sprecher in das Mikrophon spricht.
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2. In der akustischen Übertragungsbahn, einschließlich des beweglichen
Rohres, des stationären Rohres und des Kopplungsrohres, wird die Diskontinuität
der Querschnittsfläche der Übertragungsbahn zwischen dem sendeseitigen und dem empfangsseitigen
Ende auf einem geringsten Wert gehalten. Außerdem wird eine irreguläre Schallreflexion
an der mittleren Verbindungsstelle des Rohres dadurch wirksam unterdrückt, daß die
Querschnittsfläche des akustischen Übertragungsrohres zwischen dem sendeseitigen
Ende und dem empfangsseitigen Ende praktisch gleichmäßig ist.
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Eine flache Kurve der Abhängigkeit von der Frequenz wird ebenfalls
durch eine angemessene Dämpfungswirkung des Röhrenmikrophons erreicht.
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3. Änderungen der Übertragungseigenschaften und Verluste sind gering,
weil keine Diskontinuität in der Übertragungsbahn auftritt, wenn die Länge des akustischen
Rohres eingestellt wird.
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4. Schmieröl wird zwischen dem äußeren, beweglichen Rohr 1 und dem
inneren, stationären Rohr 2 eingebracht, so daß der Benutzer nicht durch das Schmieröl
beschmutzt wird.
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Das akustische Hauptübertragungsrohr wird akustisch und mechanisch
durch das äußere Rohr 3 geschützt, so daß ein Ständermikrophon mit einem derartigen
akustischen Rohr nicht durch Störgeräusche beeinflußt wird, die von äußeren Schallquellen
herstammen, und es besteht keine Gefahr einer Verbiegung, wenn äußere Kräfte angewendet
werden.