DE955962C - Aus mehreren Mikrofonen bestehende Mikrofonzeile nach Art einer geraden Strahlergruppe - Google Patents

Description

AUSGEGEBEN AM 10. JANUAR 1957

S 28613 Villa/21a*

ist als Erfinder genannt worden

Die Erfindung bezieht sich auf Mikrofonzeüen, deren Einzelmikrofone nach Art einer geraden Strahlergruppe zusammenwirken. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gleichmäßige Richtwirkung der Zeile über den gesamten aufzunehmenden Hörfrequenzbereich zu erzielen.

Es sind bereits Mikrofonzeilen vorgeschlagen worden, bei denen der zu überträgende Frequenzbereich über elektrische Weichen ziemlich grob auf Mikrofongruppen aufgeteilt wird. Die tiefen Frequenzen werden dabei nur von den äußeren Mikrofonen der Zeile übertragen, die hohen Frequenzen nur von den inneren Mikrofonen oder einem einzigen in der Mitte liegenden Mikrofon und der mittlere Frequenzbereich von den dazwischen verteilten Mikrofonen. Die auf diese Weise erzielten Richtdiagramme waren aber noch nicht befriedigend, da in jedem Mikrofongruppenbereich zu wenig Mikrofone an der Bildung der Richtwirkung teilhaben und die Zahl sowie Abstände der Mikrofone nicht über die ganzen Gruppenbereiche der ao gewünschten Richtwirkung richtig angepaßt werden können. Eine feinere Frequenzbandaufteilung würde jedoch erhebliche zusätzliche Schaltmittel erfordern. Es ist auch bereits vorgeschlagen worden, bei Lautsprecher- und Mikrofonzeüen die Abstände der Laut-Sprecher bzw. Mikrofone untereinander verschieden zu machen. Durch diese Maßnahme gelingt zwar die Unterdrückung von Nebenmaxima, nicht jedoch die Vergleichmäßigung der Richtwirkung über den Hörfrequenzbereich. ·

Gemäß der Erfindung wird die gestellte Aufgabe dadurch gelöst, daß die Mikrofone der Zeile im wesentlichen gleiche untere Grenzfrequenzen am unteren Ende des zu übertragenden Hörfrequenzbereiches haben und die oberen Grenzfrequenzen der Mikrofone von Mikrofon zu Mikrofon kleiner werden. Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn gemäß der Erfindung in der Mikrofonzeile ein Mikrofon vorgesehen wird, vorzugsweise an einem Ende der Zeile, das den gesamten Hörfrequenzbereich überträgt und eine obere Grenzfrequenz hat, die an der oberen Grenze des zu übertragenden Hörfrequenzbereiches oder darüber liegt. Gemäß weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird die Dimensionierung der Mikrofonzeile so eingerichtet, daß jedes Mikrofon in einer Entfernung von einer halben Wellenlänge seiner oberen Grenzfrequenz von dem Mikrofon angeordnet ist, das den gesamten Hörfrequenzbereich überträgt und vorzugsweise an einem Ende der Mikrofonzeile liegt. Um die oberen

so Grenzfrequenzen der Mikrofone nach der Lehre der Erfindung festzulegen, werden zweckmäßig an den Mikrofonen Mittel zur Frequenzbandbeschneidung auf -akustischem Wege vorgesehen, z. B. akustische Filter in Form von vorgesetzten Helmholtz-Resonatoren, die aus einer Luftkammer mit Löchern in der Vorderwand bestehen. Die Mikrofonzeile nach der Erfindung hat bei tiefen Frequenzen eine größere Empfindlichkeit als bei höheren Frequenzen, wie noch genauer erläutert werden wird. Erfindungsgemäß wird dieser von höheren nach tiefen Frequenzen hin gehende Empfindlichkeitsanstieg zweckmäßig durch einen entgegengesetzten Frequenzgang der der Mikrofonzeile nachfolgenden elektrischen Schaltung kompensiert, bei Kondensatormikrofonen z. B. durch Unterdimensionierung des Arbeitswiderstandes. An Stelle von mehreren Einzehnikrofonen kann ein entsprechend wie eine Mikrofonzeile lang ausgebildetes einziges Mikrofon mit einer Membran in Form eines schmalen Bandes verwendet werden, vor-dem akustische Tiefpaßfilter so angeordnet sind, daß die einzelnen Teile dieser Membran von einem Ende zum anderen hin hinsichtlich ihrer oberen Grenzfrequenz in stetig zunehmendem Maße beschnitten werden. An Stelle von einzelnen Tiefpaßfiltern an diesem Mikrofon kann auch ein einziges großes, die gesamte Membran bedeckendes akustisches Tiefpaßfilter verwendet werden, bei dem die obere Grenzfrequenz stetig von einem Ende der Membran zum anderen hin kleiner wird. Das Bandmikrofon kann ebenso wie die Einzelmikrofone der Zeile als Kondensatormikrofon ausgebildet werden.

Die Erfindung und weitere Einzelheiten sind an

Hand von Zeichnungen beispielsweise erläutert, und zwar zeigt

Fig. ι Aufbau und Schaltung einer aus vielen Einzelmikrofonen bestehenden Mikrofonzeile, und zwar ist bei diesem Ausführungsbeispiel die Erfindung auf Kondensatormikrofone angewendet,

Fig. 2 die Frequenzgänge der Mikrofonzeile und der Mikrofonschaltung, dargestellt in Frequenzkurven mit normierter Frequenzskala,

Fig. 3 ein gemäß der Erfindung ausgebildetes und den Mikrofonen vorgesetztes akustisches Tiefpaßfilter und

Fig. 4 ein Ausführungsbeispiel für den konstruktiven Aufbau der Mikrofonzeile, bei dem besondere Maßnahmen zur Vermeidung von Verzerrungen des Schallfeldes angewendet sind.

In Fig. ι besteht die Mikrofonzeile aus z. B. zwölf Einzelmikrofonen M₁ ... Af₁₂. Unten, d. h. an einem Ende der Zeile, ist ein Mikrofon M₁ vorgesehen, das alle Frequenzen des Hörbereiches überträgt und dessen Richtwirkung eventuell durch einen Trichter verbessert werden kann. Das nächste Mikrofon Af₂ überträgt die Frequenzen von 0 bis 1,2 kHz und hat vom ersten Mikrofon einen Abstand, der der halben Wellenlänge von 1,2 kHz, nämlich 14,2 cm, entspricht. Die oberen Grenzfrequenzen der Mikrofone M₃ ... M₁₂ nehmen dann stetig nach dem oberen Ende der Zeile hin ab. Das letzte Mikrofon Af₁₂ hat z. B. eine obere Grenzfrequenz von 175 Hz, und sein Abstand beträgt 97,2 cm vom ersten Mikrofon M₁ entsprechend der halben Wellenlänge der Frequenz 175 Hz. Die Mikrofone M₁ ... M₁₂ haben alle gleiche untere Grenzfrequenzen, die bei der Frequenz Null liegen können oder auch bei einem etwas höheren Wert, z. B. 30 oder 50 Hz. Da unterhalb einer Frequenz von 175 Hz alle Mikrofone Ai₁ ... Af₁₂ aufnehmen, tragen sämtliche Mikrofone bei diesen tiefen Frequenzen zur Richtwirkungsbildung bei, und nach höheren Frequenzen hin werden die Mikrofone nacheinander unwirksam, so daß das Richtdiagramm über den gesamten zu übertragenden Frequenzbereich gleichmäßig wird. Dieser Vorgang wickelt sich bei der Zeile mit mehreren Einzehnikrofonen stufenweise und bei dem erwähnten Mikrofon mit Bandmembran stetig ab. In Fig. r sind neben den Mikrofonen die Werte der oberen Grenzfrequenz f „ in Hz eingetragen sowie die

Entfernung — in cm von dem Mikrofon Af₁.

Die Mikrofone Af₁ ... Af₁₂ sind parallel geschaltet und tragen deshalb alle zur Empfindlichkeit der Mikrofonzeile bis zu einer Frequenz von 175 Hz bei. Mit ansteigender Frequenz werden immer'mehr Mikrofone akustisch unwirksam, da sie sich nacheinander abschalten, während sie elektrisch noch in der Schaltung liegen und diese belasten. Bei Kondensatormikrofonen ist die Belastung kapazitiv. Die akustische Wirkungsweise ist dabei so, daß die akustisch wirksame Kapazität und damit die Kapazitätsänderung bei Beschallung sich mit höher werdender Frequenz zunehmend vermindert, während elektrisch die Gesamtkapazität konstant bleibt. Infolgedessen wird die relative Kapazitätsänderung mit steigender Frequenz kleiner. Mithin ist die Empfindlichkeit der Mikrofonzeile bei tiefen Frequenzen höher als bei den hohen Frequenzen, und die Empfindlichkeit steigt nach tiefen Frequenzen hin an. Dieser Anstieg kann durch den Frequenzgang der angeschlossenen Verstärkerschaltung kompensiert werden, so daß letzten Endes wieder ein geradliniger Frequenzgang erzielt werden kann.

Im folgenden ist eine solche. Kompensation für den Fall einer aus Kondensatormikrofonen zusammengesetzten Mikrofonzeile gemäß der Erfindung rechnerisch erläutert. In Fig. 1 ist die Gesamtkapazität der Mikrofonzeile mit C bezeichnet, R ist der Arbeits-

widerstand, und E ist die Gleichstromvorspannung, die bei Kondensatormikrofonen notwendig ist. Die Ausgangswechselspannung entsteht parallel zum Arbeitswiderstand R und kann durch nachgeschaltete Verstärkerröhren verstärkt werden. Der Frequenzgang der Schaltung ist am unteren Ende des Hörfrequenzbereiches von der Größe des Arbeitswiderstandes R abhängig. Die tiefen Frequenzen werden bei einem Kondensatormikrofon nur dann einwandfrei übertragen, wenn der Arbeitswiderstand R ausreichende Größe hat. Durch Unterdimensionierung des Arbeitswiderstandes R kann erreicht werden, daß in der Schaltung die tiefen Frequenzen geschwächt werden. Ein einzelnes Mikrofon mit einer Kapazität Cm ist ein

Generator mit einer EMK _e = E ■ —

Die

EMK e ist also von der Gleichstromvorspannung E des Mikrofons, der Mikrofonkapazität Cm und der durch den Schall bewirkten Kapazitätsänderung d Cm 2) abhängig. Der Innenwiderstand des Generators ist di Reaktanz der Mikrofonkapazität. Der Arbeitswiderstand R belastet den Generator, und die Netzspannung u entsteht an diesem Arbeitswiderstand R nach folgender Beziehung:

u =

-. E

dC.

R ω Cm

Ί1

dC

Die Kreisfrequenz α wird zweckmäßig auf die Bezugsfrequenz -=-— bezogen, und man erhält hierdurch

eine dimensionslose normierte Frequenz η = R ω C. Damit wird

\u

Der elektrische Frequenzgang der Kondensatormikrofonschaltung verläuft also prinzipiell nach der Beziehung

„, _ V

ΐ/τ+rf

Hinzu kommt der akustische Frequenzgang, der durch ■-£- bestimmt wird. Es wird angenommen, der Frequenzgang eines Mikrofons sei der eines Tiefpasses, wobei das Mikrofon M_n die Grenzfrequenz f_n hat. Dabei bedeutet n die Bezugsziffer des betreffenden Mikrofons. In der in Fig. ι gezeigten Zeile kann eine der Frequenzen f_n bzw. einer der Wellenlängen X_n beliebig gewählt werden. Mit dieser Wahl sind jedoch die anderen Frequenzen mit ihren zugehörigen Wellenlängen bestimmt. Diese Berechnung wird weiter hinten abgeleitet. In Fig. ι empfangen bis zu einer Frequenz von 175 Hz alle zwölf Mikrofone. Die Frequenzänderung dC der gesamten Zeile ist also 12 · dC_M-Im Bereich der Frequenzen von 175 bis 190 Hz sind nur noch elf Mikrofone empfindlich; es ist also if C = Ii dC_M- Im Bereich der Frequenzen 190 bis 209 Hz sind entsprechend nur zehn Mikrofone wirk- 6g sam usw., bis z. B. für Frequenzen zwischen 735 und 1200 Hz nur noch zwei Mikrofone und oberhalb der Frequenz von 1200 Hz nur noch ein Mikrofon, nämlich das Mikrofon M₁, empfindlich bleibt. Die Gesamtkapazität C = 12 · Cm bleibt jedoch über den gesamten zu übertragenden Frequenzbereich immer gleich, so daß mit wachsender Frequenz die relative Frequenz-

änderung -^- abnimmt. Dieser Abfall soll durch den

ansteigenden Frequenzgang y der Verstärkerschaltung kompensiert werden. Für hohe Frequenzen, bei denen η größer ist als 1 und nur das Mikrofon M₁ allein wirkt, ist y = 1. Mit sinkender Frequenz wird dann zunächst das Mikrofon M₂ wirksam. Die Frequenz f„, bei der dies geschieht, ist mit f₂ = 1200 Hz gewählt worden. Wenn die Mikrofone M₁ und M₂ zusammen arbeiten, ist die relative Kapazitätsänderung -^r- doppelt so groß geworden wie für hohe Frequenzen. Wenn nun der elektrische Frequenzgang y so gelegt wird, daß er bei einer Frequenz von 1200 Hz gerade den halben Wert hat, so ist die doppelte akustische Empfindlichkeit kompensiert. Bei der Frequenz, bei der das Mikrofon M₃ wirksam wird, ist

die relative Frequenzänderung —^- dreimal so groß

wie für hohe Frequenzen. Um einen geraden Frequenzgang zu erzielen, muß also der elektrische Frequenzgang auf den dritten Teil absinken. Wird das n-te Mikrofon

wirksam, so muß y auf — abgesunken sein. Der elektrische Frequenzgang y hat eine gegebene Funktion, und so wird — nur ganzzahlig für bestimmte η-Werte.

Für n Mikrofone soll y = — sein. Dem Werty„ entspricht ein bestimmter Wert η_η. Für ein gewähltes R ■ C ist damit die wirkliche Frequenz f_n = -^RC gegeben. Den so berechneten Frequenzen f_n entsprechen bestimmte Wellenlängen λ_Β= -^- = c · 2π .

Jn Vn

Das Mikrofon M_n hat vom Mikrofon M₁ den Abstand —. Im Beispiel ist R ■ C so gewählt, daß das Mikro-

fön M₂ eine Grenzfrequenz f₂ — 1200 Hz hat. Dieser Grenzfrequenz 1200 Hz entspricht eine halbe Wellenlänge — = 14,2 cm. Mit der Wahl von f₂ = 1200 Hz sind die übrigen Frequenzen f_n sowie die Abstände — festgelegt. Aus der Beziehung

wird errechnet

y =

η =

γΊ +

η_η ist der Wert, den η für — = n annimmt. Also ist

Vn = ~

²-1

Damit wird

f_n= -^- RC = -~- RC ]/η² — τ ,

I_n = c·π

'Jr.

= cn RC Vn²-:

In diesen Formeln wird f in Hz, λ in cm, 2? in Ohm,

C in Farad, c in cm S^-1 und n als ganze Zahl (Index des jeweiligen Mikrofons) eingesetzt.

In Fig. 2 ist auf der Abszisse die normierte Frequenz η = R ■ ω C in Zahlenwerten abgetragen und auf der

Ordinate der elektrische Frequenzgang y. Die Kurve —

stellt den Frequenzgang der Mikrofonzeile nach dem durchgerechneten Beispiel dar und die Kurve y den entgegengesetzten Frequenzgang der Mikrofonschaltung. Der resultierende Frequenzgang aus beiden Kurven ist geradlinig.
In Fig. 3 ist ein dem Mikrofon M vorgesetztes akustisches Tiefpaßfilter dargestellt, mi't dessen Hilfe die obere Frequenzbandbeschneidung an den Mikrofonen praktisch durchgeführt werden kann. Die Anordnung ist als Helmholtz-Resonator ausgebildet und besteht aus der Luftkammer K, in deren Vorderwand sich viele Löcher L befinden. Die Helmholtz-Resonatoren kann man selbst für verhältnismäßig tiefe Frequenzen mit kleinen Abmessungen bauen und durch Reibung in den Löchern L, deren Durchmesser hinreichend klein gewählt wird, aperiodisch dämpfen. Oberhalb der Grenzfrequenz des Helmholtz-Resonators nimmt das Übertragungsmaß mit 1: ω² ab, und bis zur Grenzfrequenz ist das Übertragungsmaß konstant. Die Mikrofone M₂ ... M₁₂ haben alle solche Helmholtz-Resonatoren nach Fig. 3, deren Größe aber in der erläuterten Weise verschieden gemacht ist, so daß die oberen Grenzfrequenzen von Mikrofon zu Mikrofon voneinander abweichen.

Es ist zweckmäßig, die Einzelmikrof one in akustisch definierter Weise zu einer Anordnung zusammenzubauen. Bei den bekannten.Mikrofonzeilen, bei denen die Einzehnikrofone auf Stangen oder Latten befestigt waren, wurde das Schallfeld durch die Tragkonstruktion mit ihren großen Flächen in unkontrollierbarer Weise verfälscht. Die gemäß der Erfindung ausgebildete Anordnung nach Fig. 4 ist von diesen Nachteilen frei. Die Mikrofone M sind hier an zwei durch die Bogen B gespannten Saiten S aufgehängt. Die Bogen B überkreuzen sich und werden in der Mitte zusammengehalten. Das Ganze läßt sich mit einer akustisch unwirksamen Hülle umgeben. Die Anordnung hat nur äußerst kleine Störflächen, die das Schallfeld praktisch nicht beeinflussen können. Eine

Mikrofonzeilenanordnung nach Fig. 4 kann allgemein auch dann angewendet werden, wenn vom bisher 6o beschriebenen Teil der Erfindung hinsichtlich der oberen Grenzfrequenzen der Mikrofone kein Gebrauch gemacht wird.

Claims (7)

1. PATENTANSPRÜCHE: *>5

   ι. Aus mehreren Mikrofonen bestehende Mikrofonzeile nach Art einer geraden Strahlergruppe, dadurch gekennzeichnet, daß die Mikrofone im wesentlichen gleiche untere Grenzfrequenzen am unteren Ende des zu übertragenden Hörfrequenzbereiches haben und die oberen Grenzfrequenzen der Mikrofone von Mikrofon zu Mikrofon kleiner werden.
2. 2. Mikrofonzeile nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Mikrofon, vorzugsweise das an einem Ende der Zeile befindliche Mikrofon, den gesamten Hörfrequenzbereich überträgt und eine obere Grenzfrequenz hat, die an der oberen Grenze des zu übertragenden Hörfrequenzbereiches oder darüber liegt.
3. 3. Mikrofonzeile nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Mikrofon in einer Entfernung von einer halben Wellenlänge seiner oberen Grenzfrequenz von dem Mikrofon angeordnet ist, das den gesamten Hörfrequenzbereich überträgt und vorzugsweise in einem Ende der Mikrofonzeüe liegt.
4. 4. Mikrofonzeile nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß an den Mikrofönen Mittel zur Frequenzbandbeschneidung auf akustischem Wege vorgesehen sind, z. B. akustische Filter in Form von vorgesetzten Helmholtz-Resonatoren, bestehend aus einer Luftkammer mit Löchern in der Vorderwand.
5. 5. Mikrofonzeile nach einem der Ansprüche. 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der nach tiefen Frequenzen hin gehende Empfindlichkeitsanstieg durch einen entgegengesetzten Frequenzgang der nachfolgenden elektrischen Schaltung kompensiert wird, bei Kondensatormikrofonen z. B. dwrch Unterdimensionierung des Arbeitswiderstandes.
6. 6. Mikrofonzeüenaufbau, insbesondere für Mikrofonzeile nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Mikrofone einen akustisch unwirksamen Einbau haben, z. B. indem sie an durch Bogen gespannten parallelen Saiten aufgehängt sind.
7. 7. Mikrofonzeile nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß an Stelle no mehrerer Einzehnikrofone ein Mikrofon mit einer Membran in Form eines schmalen Bandes vorgesehen ist, vor der ein akustisches Tiefpaßfilter angeordnet ist, bei dem die obere Grenzfrequenz stetig von einem Ende zum anderen hin kleiner wird.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen