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"Audio-Wissen von 1974" - Die Themen dieser Artikel sind:

Was war mit der analogen Audio-Studio-Technik machbar und was sollte bzw. mußte ein Toningenieur wissen und gelernt haben. Daß viele dieser Themen (wir schreiben zur Zeit 2016) bereits 35 Jahre alt sind und durch die schleichende Digitalisierung völlig überholt sind, bedeutet nicht, daß sich die physikalischen Grundlagen wesentlich geändert haben.

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D. Studiogeräte und Studioeinrichtungen

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  • Vorbemerkung : Bis etwa 1977/78 gab es noch keine anwendbare Digitaltechnik in der Audio-Studiotechnik und darum hier nochmal der Hinweis, wir befinden uns im Jahr 1974 !

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Die studiomäßige Schallübertragung hat zunächst grundsätzlich die Aufgabe, eine an einem beliebigen Ort erfolgende akustische Darbietung nach einem zweiten Ort zu übertragen.

Da diese Übertragung nur auf elektrischem Wege erfolgen kann, ist eine Umwandlung der akustischen Schallenergie mittels Schallwandler in elektrische Energie bei der Aufnahme (Mikrofone) und umgekehrt bei der Wiedergabe (Lautsprecher) notwendig.

Die vom Mikrofon abgegebenen Spannungen sind so klein, daß sie zur Aussteuerung eines Lautsprechers oder eines Senders nicht ausreichen. Diese geringe Tonfrequenzenergie muß deshalb verstärkt werden, wozu je nach dem beabsichtigten Zweck verschiedenartige Verstärker benötigt werden.

Die Pegel beim Rundfunk und weitere Standards

Da die in Tonfrequenzenergie umgewandelte und als solche verstärkte Schallenergie beim Rundfunk zum Beispiel einem Sender zur Modulation einer hochfrequenten Schwingung zugeführt wird, darf sie zur Vermeidung einer Übersteuerung eine bestimmte Größe nicht überschreiten.

Es ist deshalb erforderlich, Kontrolleinrichtungen anzuordnen, die die Aussteuerung anzeigen. Diese Einrichtungen bezeichnet man als Aussteuerungsmesser.

Zur richtigen Einstellung des gewünschten Pegels benutzt man verschiedenartige Regeleinrichtungen, je nachdem ob die Regelung von Hand oder automatisch erfolgen soll. Weiterhin läßt sich mit geeigneten, als Verzerrer oder Entzerrer bezeichneten Gliedern auch der Amplitudenverlauf des zu übertragenden Spektrums ändern.

In den meisten Fällen wird neben der Eingangs gestellten Aufgabe, den Schall über bestimmte Entfernungen hinweg zu übertragen, noch die Forderung erhoben, den Schall auch zu einem beliebigen Zeitpunkt zu übertragen. Hierzu sind Schallspeichergeräte im Übertragungsweg notwendig.

D. I. Schallwandler

In die Gruppe der Schallwandler gehören alle elektroakustischen Einrichtungen, die eine Umwandlung von Luft- und Körperschallenergie in elektrische Energie oder umgekehrt vornehmen. Uns interessieren an dieser Stelle vornehmlich die Schallempfänger und Schallstrahler für Luftschall. Man unterscheidet bei beiden Schallwandlerarten hauptsächlich nach der Art des mechanisch-elektrischen Umsetzungsprinzips.

Nachstehend sollen die praktisch wichtigsten Schallwandler behandelt werden, und zwar die elektrodynamischen, kapazitiven und piezoelektrischen Schallwandler.

Allen diesen Schallwandlern ist gemeinsam, daß sie zur Umsetzung von Schallenergie in Tonfrequenzenergie oder umgekehrt eine Membran benötigen. Da die Probleme, die mit der Größe dieser Membran verknüpft sind, bei Mikrofonen und Lautsprechern die gleichen sind, soll deren Erörterung der Betrachtung der Schallwandlerarten vorangestellt werden.

Der Einfachheit halber behandeln wir diese Frage aber nur am Beispiel des Schallstrahlers. Aufgrund des Reziprozitätsgesetzes können die hierbei angestellten Überlegungen und gefundenen Gesetzmäßigkeiten sinngemäß auch auf die Schallempfänger übertragen werden.

D. I. 1. Strahlungsverhältnisse

Setzen wir voraus, daß sich die Membran in dem passenden Ausschnitt einer sehr großen und festen Wand befinde. Wird die Membran bewegt, so hat dies eine Volumenverschiebung in der umgebenden Luft und damit eine Schallab Strahlung zur Folge.

Solange die Abmessungen der Membran klein gegenüber der Wellenlänge des abzustrahlenden Schallereignisses sind, kann die Membran als punktförmiger Schallstrahler aufgefaßt werden. Wie wir im Abschnitt A. III. 2 sahen, löst ein solcher punktförmiger Strahler eine Schallausbreitung in Form einer Kugelwelle aus.
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12.000 Hz erfordern einen Membrandurchmesser von 1,4cm

Da sich in der Praxis, besonders bei den Lautsprechern, die Membran aus Gründen der geforderten größeren Strahlungsleistung nicht so klein halten läßt - 12.000 Hz erfordern unter Beachtung der oben gestellten Forderung einen Membrandurchmesser von 1,4cm -, tritt bei Frequenzen, deren zugehörige Wellenlängen in die Größenordnung der Membranabmessungen fallen, eine Bündelung des abgestrahlten Schalles auf.

Diese Bündelung kommt dadurch zustande, daß die von zwei Punkten einer konphas schwingenden Wand ausgesandten Schallwellen wegen unterschiedlicher Weglängen nicht an allen Orten des Wiedergaberaumes mit gleicher Phasenlage eintreffen. Dadurch ergeben sich Auslöschungen, wenn der Phasenunterschied genau 180° beträgt, und an anderen Stellen wieder Verdoppelungen, wenn die Phasenlagen übereinstimmen.

Das letztere wird vorwiegend in der Lautsprecherachse eintreten, da von einem beliebigen Ort auf dieser Achse alle Punkte auf der Membran etwa den gleichen Abstand haben. Es ergibt sich demzufolge in dieser Richtung eine besonders gute Abstrahlung, die nach den Seiten hin bis zu den Orten, an denen eine Auslöschung zustande kommt, stetig abnimmt.
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Die Richtcharakteristik

Die Richtcharakteristik in der Achsrichtung besitzt deshalb die Form einer Keule, die mit zunehmender Frequenz, und damit kleiner werdender Wellenlänge, immer schmaler wird.

In Bild 96 sind für zwei verschiedene Membranabmessungen und für je vier Frequenzen die entstehenden Richtcharakteristiken gezeigt. Aus den Bildern ist außerdem zu erkennen, daß sich bei höheren Frequenzen eine mit der Frequenz zunehmende Anzahl von Nebenkeulen ausbildet. Dieser Erscheinung liegt ebenfalls das vorstehend beschriebene Verhalten der Membran zugrunde.

Bei wesentlich unter den Membranabmessungen liegenden Wellenlängen sind eben die Gebiete völliger Auslöschung dichter benachbart. Die Bündelungsschärfe in Achsrichtung wird dabei um so größer.

Die Frequenzabhängigkeit des Wandlers

Die Frequenzabhängigkeit der Richtcharakteristik ist für normale Schallwandler unerwünscht. Soll die Strahlungscharakteristik im Bereich hörbarer Frequenzen frequenzunabhängig sein, so müßte die Membran entweder sehr klein im Verhältnis zur kleinsten abgestrahlten Wellenlänge oder groß gegenüber der größten Wellenlänge sein.

Im ersten Fall ergibt sich die schon erwähnte punktförmige Abstrahlung in Form einer Kugelwelle, das heißt eine weitgehend frequenzunabhängige kugelförmige Richtcharakteristik. Der Membrandurchmesser dürfte jedoch in diesem Fall höchstens 1,4cm betragen. Eine derart kleine Membran ist aber nur für Mikrofone brauchbar.
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100 Hz erfordern einen Membrandurchmesser von 3m

Bei Lautsprechern sind zur Erzielung einer großen Strahlungsleistung größere Membranen notwendig. Es ist deshalb naheliegend zu prüfen, ob hierfür der zweite genannte Extremfall - eine im Verhältnis zur längsten abgestrahlten Wellenlänge große Membran - in Frage kommt.

Eine solche Membran müßte aber, zur Erzielung einer hinreichend frequenzunabhängigen Strahlungscharakteristik bis zu einer Frequenz von 100 Hz herab, einen Durchmesser von etwa 3m besitzen. Ein so großer Lautsprecher ist konstruktiv kaum zu verwirklichen und deshalb für die Verwendung in der Tonstudiotechnik bedeutungslos. Abgesehen davon würde diese Membran den Schall zwar weitgehend frequenzunabhängig, aber derart scharf gebündelt abstrahlen, daß ein solcher Lautsprecher nur für wenige Spezialzwecke verwendet werden könnte.
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Die Kompromisse bei Lautsprechern

Der Konstruktion eines Lautsprechers normaler Dimension werden also immer gewisse Kompromisse zugrunde liegen. Für Studio-Wiedergabeanlagen empfiehlt es sich deshalb, das gesamte abzustrahlende Schallspektrum auf mindestens zwei Lautsprecher zu verteilen.

Über den akustischen Kurzschluß

Die Unterbringung des Lautsprechersystems erfolgt entweder auf einer Schallwand oder in einem Gehäuse. Beide haben die Aufgabe, den Ausgleich der bei der Membranbewegung vor und hinter ihr entstehenden Druckdifferenz um die Membran herum zu verhindern. Man bezeichnet diesen zu vermeidenden Druckausgleich allgemein auch als akustischen Kurzschluß. Dieser wird dann genügend klein gehalten, wenn die Entfernung zwischen der Membran und dem Rand der Schallwand mindestens ein Viertel der längsten abzustrahlenden Wellenlänge beträgt.

Das Baßreflexgehäuse

Eine solche Wand müßte also bei 50 Hz unterer Grenzfrequenz einen Durchmesser oder eine Kantenlänge von etwa 3 m haben. Eine derart große Wand ist aber nicht nur unpraktisch oder überhaupt nicht unterzubringen, sondern auch noch aus anderen Gründen wenig vorteilhaft. Setzt man nämlich den Lautsprecher in ein geschlossenes Gehäuse, so bildet dessen Luftvolumen mit der Membranmasse einen Resonator. Bei richtiger Abstimmung dieser beiden Größen kann man die Abstrahlung der tiefen Frequenzen noch weiter verbessern. Ein solches Gehäuse nennt man Baßreflexgehäuse [174-179].

Der Exponentialtrichter oder das "Horn"

Eine Verbesserung der Strahlungsbedingungen wird auch durch die Anwendung eines Schalltrichters erreicht. Er verhütet nicht nur einen akustischen Kurzschluß, sondern teilweise auch eine seitliche Divergenz der Schallwellen. Damit keine Reflexionen des von der Membran abgestrahlten Schalles durch sprunghafte Änderungen des Trichterquerschnittes entstehen, muß er sich zum Trichterende hin stetig ändern.

Diese Bedingung wird am besten durch eine nach einer Exponentialfunktion erfolgende Zunahme des ebenen Trichterquerschnittes erzielt. Die Abstrahlung von der Öffnung des Trichters ist dann am günstigsten, wenn die Neigung der Trichterwand zur Trichterachse an dieser Stelle 45° beträgt. Die untere Grenzfrequenz des Trichters ist von der Trichteröffnung abhängig und beträgt bei einem Durchmesser von 2m etwa 50 Hz. Aus diesem Öffnungsdurchmesser ergibt sich zusammen mit dem Anfangsquerschnitt des Trichters, der wiederum vom Membrandurchmesser des verwendeten Lautsprechers abhängig ist, aufgrund des Exponentialgesetzes die Trichterlänge. Sie beträgt im allgemeinen einige Meter.

Der Kugelwellentrichter

Eine verbesserte Ausführung des Exponentialtrichters stellt der Kugelwellentrichter dar [180]. Bei ihm steigt nicht der ebene, sondern der kalottenförmige Querschnitt des Trichters nach dem Exponentialgesetz an. Diese Konstruktion entspricht besser den tatsächlichen Verhältnissen, da sich der Schall innerhalb des Trichters wegen der konstanten Ausbreitungsgeschwindigkeit auch kalottenförmig fortpflanzt. Einen Vergleich beider Trichterformen ermöglicht Bild 97.

Wir erkennen daraus, daß der Kugelwellentrichter bei gleicher Grenzfrequenz eine kürzere Baulänge besitzt. Das ist praktisch von besonderer Bedeutung, da es oftmals schwierig ist, den langen Trichter räumlich unterzubringen.

Die Anwendung im Kino

In der Praxis hat der Kugelwellentrichter bei der Schallwiedergabe im Lichtspieltheater sein hauptsächliches Anwendungsgebiet. Er hat einen für Schallstrahler relativ sehr guten Wirkungsgrad bei weitgehend frequenzunabhängiger Richtcharakteristik.

Allerdings bringt die große Trichterlänge gerade hier Schwierigkeiten mit sich, da der Abstand zwischen Bildwand und Bühnenrückwand oft sehr klein ist. Abhilfe läßt sich durch einen großen Trichteranfangsquerschnitt schaffen, indem man entweder einen Lautsprecher mit großer Membran oder mehrere konphas schwingende Lautsprecher benutzt.

Da hierbei die Abstrahlung hoher Frequenzen Schwierigkeiten macht, müssen besondere Hochtonlautsprecher angeordnet werden, die ebenfalls mit einem Trichter versehen werden können, der aber wegen der höheren unteren Grenzfrequenz wesentlich kleiner ist.

Eine solche Kombination von Trichterlautsprechern (Siemens) ist in Bild 98 dargestellt; die Strahlungscharakteristik der Kombination zeigt Bild 99.

Gezielte Schallstreuung durch Lamellen

Eine Schallstreuung kann auch dadurch erreicht werden, daß in den Strahlengang eines Lautsprechers geeignete Glieder geschaltet werden, die den Schall an bestimmten Stellen zu Umwegen zwingen.

Die schallstreuende Einrichtung besteht aus einer Reihe übereinander parallel angeordneter und schräg gestellter Blechlamellen, die so geformt sind, daß der Schall in der Mitte der Strahlungsfläche nur einen kurzen, in den Außenbezirken dagegen einen langen Weg zwischen den Lamellen zurückzulegen hat [181]. Aus Bild 100 sind der schematische Aufbau und die Richtcharakteristik zu erkennen.

Schallwandlergruppen oder Lautsprecherzeilen

In den Fällen, in denen ganz bestimmte Richtcharakteristiken benötigt werden, ist die Anwendung mehrerer Schallwandler in Form von Gruppen notwendig. Ordnet man zum Beispiel mehrere Lautsprecher in Form einer Zeile an, so ergibt sich eine zungenartige Richtcharakteristik, wie sie in Bild 101 dargestellt ist. Dabei nimmt die Bündelungsschärfe mit der Länge der Schallzeile zu.

Eine besonders vielseitige Anwendung erlaubt eine als Universalstrahler bezeichnete Kreisgruppe [182, 183]. Bei ihr sind sechs Stück 6 Watt-Lautsprecher auf einem Kreis mit einem Durchmesser von 50cm angeordnet. Die Gruppe besitzt eine keulenförmige rotationssymmetrische Richtcharakteristik. Mit mehreren solcher Universalstrahler lassen sich die verschiedenartigsten Richtcharakteristiken erzielen, wobei jede Kreisgruppe wieder als Einzelstrahler aufgefaßt werden kann. Bild 102 zeigt zwei dieser Möglichkeiten unter Angabe ihrer Richtcharakteristiken.

D. I. 2. Mikrofone

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D. I. 2. 1. Kontaktmikrofone

Das in diese Gruppe gehörende Kohlemikrofon war der in die Praxis zuerst eingeführte und auch in der Tonstudiotechnik anfänglich benutzte Mikrofontyp. Wegen seines niedrigen Herstellungspreises und seiner großen Wandlerempfindlichkeit wird es heute noch vorwiegend in der Fernsprechtechnik verwendet, und es stellt damit zahlenmäßig den Hauptanteil aller gefertigten
Mikrofone.

Das Kohlemikrofon

Die Wirkungsweise des Kohlemikrofons beruht auf der Veränderung des Übergangswiderstandes zwischen benachbarten Kohleteilchen, wenn sich der auf sie einwirkende Druck ändert. Über eine Membran wird der Druck im Schallfeld auf die Kohleteilchen (Kohlegrieß) übertragen, und er vergrößert oder verkleinert so den Innenwiderstand des Mikrofons. Legt man mit einer Spannungsquelle Gleichspannung an das Mikrofon, so fließt ein Strom, der sich im Rhythmus der Widerstandsänderungen ändert. Dem Gleichstrom überlagert sich somit ein Sprechwechselstrom.

Aus physikalischen Gründen folgen diese Stromänderungen nicht hinreichend genau proportional den Widerstandsänderungen. Es zeigt sich jedoch, daß die Proportionalität und damit die Verzerrungsfreiheit um so günstiger ist, je kleinere Werte die Widerstandsänderung im Verhältnis zum Ruhewiderstand annimmt und je kleiner der vom Mikrofon abgegebene Sprechwechselstrom ist.

Diese Bedingung erfüllt man einmal durch eine Schaltung gemäß Bild 103 und entsprechende Bemessung der Schaltelemente, wodurch der Sprechwechselstrom von der Gleichspannungsquelle ferngehalten wird; zum anderen wird man den verbleibenden Widerstand für den Wechselstrom, das heißt den Außenwiderstand Ra möglichst groß wählen. Trotzdem sind die Verzerrungen dieser Mikrofonart noch so groß, daß sie in der modernen Tonstudiotechnik keine Anwendung mehr findet.

D. I. 2. 2. Elektrostatische Mikrofone (Kondensatormikrofone)

Die Wirkungsweise des elektrostatischen Mikrofons beruht darauf, daß eine dünne, elektrisch leitende Membran als Elektrode in einem geringen Abstand vor einer massiven Gegenelektrode entsprechend den Einwirkungen des Schallfeldes schwingen kann und sich somit die Kapazität zwischen beiden Elektroden verändert.

Das elektrostatische Mikrofon wirkt demzufolge wie ein Kondensator mit veränderlicher Kapazität, weshalb es im normalen Sprachgebrauch auch als Kondensatormikrofon bezeichnet wird. Die Kapazitätsänderungen werden im wesentlichen durch die nachfolgend beschriebenen zwei Methoden in - den Schallschwankungen proportionale - Sprechwechselspannungen umgewandelt.

D. I. 2. 2. 1. Die Niederfrequenzschaltung eines Kondensatormikrofons

In dieser Schaltung werden die beiden Elektroden in einen Stromkreis gelegt, der aus einer Gleichspannungsquelle und einem sehr hochohmigen Widerstand gebildet wird (Bild 104). Eine Kapazitätsänderung des Kondensatormikrofons ruft eine dieser Änderung proportionale (Signal-) Spannung an den Elektroden und damit am Widerstand hervor. Unter der Voraussetzung, daß die Abstandsänderung klein bleibt gegenüber dem Elektrodenabstand, ergibt sich eine saubere Signal-Wechselspannung.

Wir erkennen, daß die Spannung proportional mit der Kapazitsänderung und der angelegten Gleichspannung, umgekehrt proportional mit der Ruhekapazität Co und, solange

Formel

ist, auch, proportional mit Ra ansteigt. Das bedeutet, daß der Widerstand Ra sehr hochohmig sein muß, damit die vorgenannte Bedingung bis zu den tiefsten zu übertragenden Frequenzen erfüllt bleibt und somit eine Dämpfung der Wandlerempfindlichkeit vermieden wird.

Soll zum Beispiel der Amplitudenabfall bei 30Hz nicht mehr als 3dB betragen, so darf bei einer Kapazität der Mikrofonkapsel einschließlich der Schaltkapazitäten - die übrigens den Frequenzgang des Mikrofons, abgesehen vom vorliegenden Fall tiefster Frequenzen, in keiner Weise beeinflussen - von 100pF der Widerstand nicht kleiner als 50MQ sein.

Weiterhin muß im Interesse einer großen Wandlerempfindlichkeit die Ruhekapazität des Mikrofons zwar klein, die
Kapazitätsänderung bei gleichbleibender Schwingungsamplitude der Membran jedoch möglichst groß sein. Da jedoch die Kapazitätsänderung um so größer werden muß, je kleiner der Elektrodenabstand ist, was gleichbedeutend mit einer Erhöhung der Ruhekapazität ist, kann ein Minimum an Ruhekapazität nur durch kleinstmögliche Schaltkapazitäten erreicht werden.

Um dieser Forderung zu genügen, muß sich die Gate-Zuführung des nachgeschalteten Feldeffekttransistors (FET) in der Nähe der Mikrofonkapsel befinden. Daraus ergibt sich zwangsläufig, daß bei Kondensatormikrofonen Mikrofonkapsel und Verstärker elektrisch und im praktischen Aufbau eine Einheit bilden müssen (Bild 105).

weitere Details zum Kondensatormikrofon

Im allgemeinen dient der Mikrofonverstärker nur zur Impedanzwandlung, indem er den hohen Innenwiderstand der Mikrofonkapsel auf den für den Anschluß einer Übertragungsleitung von mehreren hundert Metern erforderlichen Quellwiderstand von 200 Ohm herabsetzt.

Die Ausgangsspannung des Mikrofonverstärkers ist daher etwa gleich der Sprechwechselspannung am Gate des FET. In diesem Fall läßt sich auch eine Drainschaltung anwenden (Sourcefolger). Wo es jedoch auf eine symmetrische Ankopplung der nachfolgenden Übertragungsglieder einschließlich der Übertragungsleitung ankommt, wird man bei der üblichen Schaltung mit Ausgangsübertrager bleiben.

Die Betriebsspannung für den Feldeffekttransistor wird einem besonderen Stromversorgungsgerät entnommen, das entweder als Batteriebox oder als Netzgerät ausgebildet ist. Die Zuführung der Spannung kann über die Tonadern (Tonaderspeisung) oder auch über die Abschirmung des NF-Kabels und beide Tonadern gemeinsam geschehen (Phantomspeisung).

D. I. 2. 2. 2. Kapselausführungen von Kondensatormikrofonen

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Die kugelförmige Richtcharakteristik

Die in Bild 106 schematisch dargestellte Mikrofonkapsel ist ein reiner Druckempfänger, dessen Kapazitätsänderung und damit die Wandlerempfindlichkeit um so größer ist, je größer die Schwingungsamplitude der Membran bei gleichbleibendem Schalldruck ist. Das würde zunächst bedeuten, daß die Membranfederung sehr weich gehalten sein müßte. Dieser Forderung steht jedoch das Verlangen nach einem möglichst geradlinigen Frequenzgang bis zu den höchsten Frequenzen entgegen.

Er läßt sich nur dann erreichen, wenn die Frequenz der Eigenschwingung der Membran außerhalb des Übertragungsbereiches nach hohen Frequenzen hin verlegt wird, da nur dann die Membranauslenkung und damit die Kapazitätsänderung bei konstantem Schalldruck annähernd unabhängig von der Frequenz bleibt.

Die Eigenschwingung der Membran ist durch ihre Masse m einschließlich der des mitschwingenden Luftvolumens und ihre Direktionskraft D bestimmt.

Die gewünschte hohe Eigenfrequenz verlangt eine kleine Membranmasse und eine große Direktionskraft. Die letztere wirkt aber der obigen Forderung nach einer großen Wandlerempfindlichkeit entgegen. So wird zum Beispiel nach Gleichung (47) zur Verdoppelung der Eigenfrequenz eine vierfache Direktionskraft erforderlich, die gleichzeitig die Wandlerempfindlichkeit auf den vierten Teil vermindert. In der Praxis strebt man daher eine günstige Kompromißlösung an. Man legt die Eigenfrequenz nur so hoch, daß ein gerade noch vertretbarer Anstieg des Frequenzganges bei hohen Frequenzen erfolgt. Die hierfür notwendige kleine Membranmasse wird durch Verwendung von äußerst dünnen Leichtmetallfolien oder metallisierten Folien aus Isolierstoffen gewonnen. Die Folien werden straff eingespannt, damit sich auch bei hohen statischen Drücken, wie sie beispielsweise durch Wind hervorgerufen werden können, die Membran der Gegenelektrode nicht soweit nähert, daß eine Überschlagsgefahr besteht. Die damit gleichzeitig erzielte Direktionskraft ist jedoch klein im Vergleich zu der Kraft, die das kleine Luftpolster auf die Membran ausübt.

Wandlerempfindlichkeit und Direktionskraft

Bei den normalen Ausführungen beträgt der Elektrodenabstand im Interesse einer großen Kapazitätsänderung und damit großer Wandlerempfindlichkeit nur etwa 20um bis 40um, was nach Gleichung (48) eine zu große Direktionskraft zur Folge hätte. Man bringt deshalb in der Gegenelektrode Vertiefungen an, wodurch sich das wirksame Luftvolumen im erforderlichen Maße erweitern läßt, ohne daß die Nutzkapazität des Mikrofons wesentlich herabgesetzt wird.

Eine unter diesen Bedingungen optimal dimensionierte Mikrofonkapsel besitzt eine Wandlerempfindlichkeit von etwa 1mV/ubar. Eine weitere Steigerung der Wandlerempfindlichkeit wäre zwar grundsätzlich durch eine Vergrößerung der Membranfläche möglich, aber schon der praktisch verwendete Membrandurchmesser von etwa 20mm ist nicht mehr genügend klein gegenüber der Wellenlänge der höchsten zu übertragenden Frequenz (15.000 Hz entspricht 22mm Wellenlänge). Dadurch treten bei seitlicher Besprechung des Mikrofons Interferenzerscheinungen auf, die eine unerwünschte Richtcharakteristik zur Folge haben. Die in Bild 106 gezeigten Richtdiagramme für vier verschiedene Frequenzen eines solchen Mikrofons bestätigen dieses Verhalten. Die Richtcharakteristik weicht bei höheren Frequenzen von der Kugelform ab.

Über die Einfallsrichtungen einer Mikrofonkapsel

In Bild 107 ist die Wandlerempfindlichkeit eines Mikrofons in Abhängigkeit von der Frequenz für fünf verschiedene Einfallsrichtungen als Parameter aufgetragen. Aus dem Bild ist gleichzeitig bei direkter Besprechung des Mikrofons eine Empfindlichkeitssteigerung bei hohen Frequenzen zu erkennen.

Dieser Effekt beruht, neben dem Einfluß der Membranresonanz, vor allem auf einer Druckstauung am Mikrofon, die dann in Erscheinung tritt, wenn die Wellenlänge in die Größenordnung des Mikrofonkörpers kommt. In diesem Fall werden zum Beispiel die Zischlaute einer senkrecht in das Mikrofon hineinsprechenden Person mit größerer Amplitude als von einem seitlich danebenstehenden Sprecher übertragen. Es ist also nicht nur notwendig, die Membran zur Vermeidung von Interferenzerscheinungen genügend klein zu halten, sondern auch die gesamte Kapselhalterung ist so auszubilden, daß unnötig große Flächen, die die Druckstauung begünstigen, vermieden werden. Das letztere gilt auch für eventuelle Zusatzgeräte, zum Beispiel Windschutz- oder Besprechungsschutzkörbe.

Besonderheiten im Schallfeld

Eine elektrische Entzerrung der durch Interferenzen beeinflußten richtungsabhängigen Frequenzkurven ist nur dann möglich, wenn das Mikrofon ausschließlich aus einer einzigen Einfallsrichtung besprochen wird.

Die Frequenzabhängigkeit ist jedoch nur dann besonders spürbar, wenn das Mikrofon im freien Schallfeld besprochen wird, da auch die in Bild 106 gezeigten Kurven im freien Schallfeld aufgenommen wurden. Sobald das Mikrofon jedoch in geschlossenen Räumen auch den von den Wänden reflektierten Schall allseitig aufnimmt, tritt praktisch eine gewisse Mittelung der Wandlerempfindlichkeit und damit eine Verwischung der Richtcharakteristik über den gesamten Raumwinkel ein. Sie kann experimentell dadurch ermittelt werden, daß die Frequenzkurve des Mikrofons im diffusen Schallfeld eines Hallraumes mit weißem Rauschen gemessen wird (siehe Abschnitt A. III. 1.4.2).

Den besprochenen Erscheinungen zufolge richtet sich die wirksame Frequenzkurve des Schalldruckempfängers in der Praxis stets nach den vorliegenden akustischen Verhältnissen, das heißt danach, ob sich der Schalldruckempfänger in dem zu beurteilenden Teil des Frequenzganges im direkten oder indirekten Schallfeld des Sprechers befindet und aus welcher Richtung er im ersteren Fall besprochen wird.

Die achtförmige Richtcharakteristik

Mit relativ kleinen Änderungen kann die in Bild 106 gezeigte Mikrofonkapsel auch für Richtcharakteristiken anderer Form eingerichtet werden. Läßt man das Mikrofon z. B. nicht mehr als Druck- sondern Schnelleempfänger wirken, so ergibt sich eine achtförmige Richtcharakteristik. Zu diesem Zweck müssen die Vertiefungen in der Gegenelektrode bis zur Rückseite durchgebohrt werden. Eine solche Kapsel ist in Bild 108 im Schnitt dargestellt.

Für den Antrieb der Membran ist hier nicht mehr der auf die Vorderseite des Mikrofons wirkende Druck maßgebend, sondern die Differenz des vor und hinter der Membran vorhandenen Schalldruckes, das heißt der Druckgradient. Eine Druckdifferenz entsteht aber durch das Vorhandensein einer mittleren Wegdifferenz als Folge eines mittleren Abstandes zwischen Punkten gleicher Lage auf der Voder- und Rückseite der Membran.

Unter der Voraussetzung, daß die Abmessungen des Mikrofons klein im Vergleich zur Wellenlänge des einfallenden Schalles sind, muß aber der Druckgradient bei konstantem Schalldruck mit kleiner werdender Wellenlänge zunehmen, da das Druckgefälle der mittleren Wegdifferenz entsprechend größer wird. Infolgedessen steigt die die Membran antreibende Kraft mit der Frequenz an, und sie hat ihr Maximum erreicht, wenn die mittlere Wegdifferenz gleich der halben Wellenlänge ist.

Die mittlere Wegdifferenz darf also nicht größer als die halbe Wellenlänge der höchsten zu übertragenden Frequenz sein, das sind bei 12.000 Hz etwa 1,4cm. Im Interesse einer möglichst hohen Druckdifferenz und Wandlerempfindlichkeit wird man jedoch diesen Wert auch nicht unterschreiten dürfen.

Die Schwingungsamplitude der Membran und damit die Wandlerempfindlichkeit würde nun allerdings ebenfalls mit der Frequenz ansteigen. Dies wird vermieden, indem man die Membranauslenkung reibungsgehemmt erfolgen läßt. Die hierzu notwendige Reibung erzielt man dadurch, daß der Elektrodenabstand - genau wie beim Schalldruckempfänger - ebenfalls gering, der Abstand der Löcher in der Gegenelektrode aber groß gemacht wird. Große Geschwindigkeit und damit große Reibungsverluste in der zwischen den Elektroden verbleibenden dünnen Luftschicht sind die Folge.

Die Membranauslenkung kann auf diese Weise trotz frequenzabhängigen Ansteigens des Druckgradienten konstant gehalten werden. Die Ausgangsspannung des Mikrofons ist somit nicht dem ansteigenden Druckgradienten sondern der Schall-schnelle proportional; deshalb die Bezeichnung dieses Schallwandlers als „Schnelleempfänger". Trotzdem haben Druckgradient und Schnelle den gleichen Einfluß auf die Richtcharakteristik des Mikrofons, da sich ihre Wirkungen überlagern. So wird zum Beispiel der Druckgradient dann zu Null, wenn der Schall aus einer Richtung einfällt, die mit der Membranebene übereinstimmt. In diesem Fall kann die Schnelle die Membran ebenfalls nicht mitnehmen. Fällt dagegen der Schall senkrecht auf die Vorder- oder Rückseite der Membran, so ist der Druckgradient am größten und die Schnelle kann die Membran ebenfalls mitnehmen. In dieser Richtung bildet sich also ein Maximum der Wandlerempfindlichkeit aus. In Bild 108 sind die praktisch gemessenen Richtdiagramme eines solchen Mikrofons gezeigt, die die weitgehende Frequenzunabhängigkeit bestätigen.

Die nierenförmige Richtcharakteristik

Durch Kombination der beiden Mikrofonkapseln läßt sich eine solche mit nierenförmiger Richtcharakteristik schaffen (Bild 110). Die massive Gegenelektrode erhält an der Rückseite eine weitere Membran, die jedoch elektrisch unwirksam ist. Ein auf das Mikrofon einwirkender Schalldruck bewirkt eine Änderung des eingeschlossenen Luftvolumens, indem sich die beiden Membranen entweder aufeinander zu oder voneinander weg bewegen.

Der Druckgradient des Schallfeldes erzeugt dagegen eine gleichsinnige Membranbewegung. Fällt zum Beispiel der Schall von vorn senkrecht auf die elektrisch wirksame Membran ein, so addieren sich die Wirkungen von Druckgradient und Schalldruck; bei einer Besprechung von hinten heben sie sich dagegen an dieser Membran auf. Erfolgt eine seitliche Besprechung, so ist der Druckgradient gleich Null; es wirkt in diesem Falle nur der Schalldruck. Die Membranauslenkung ist halb so groß wie im ersten Fall. Es überlagern sich also eine kugel- und eine achtförmige Richtcharakteristik, wobei man durch eine geeignete Dimensionierung der Kapsel gleich große Membranauslenkungen bei beiden Einflüssen erreichen kann.

In Bild 111 sind die kugel- und die achtförmige Richtcharakteristik und die sich aus der Überlagerung ergebende nierenförmige Richtcharakteristik dargestellt.

Bild 110 zeigt schließlich noch die an einem solchen Mikrofon gemessenen Richtdiagramme.

Die umschaltbare Richtcharakteristik

Werden bei der in Bild 110 gezeigten Mikrofonkapsel beide Membranen elektrisch mit der gleichen Spannung beaufschlagt, so ergibt sich ein reiner Druckempfänger und damit ein Mikrofon mit kugelförmiger Richtcharakteristik.

Gibt man dagegen beiden Membranen eine Vorspannung entgegengesetzter Polarität - gegenüber der massiven Elektrode - und gleichen Betrages, so erhält man wiederum eine achtförmige Richtcharakteristik. Sie kommt dadurch zustande, daß bei seitlicher Besprechung die beiden erzeugten Spannungen gegenphasig sind und sich somit aufheben, während bei einer Besprechung von vorn oder hinten die volle Wandlerempfindlichkeit erhalten bleibt.

Die entgegengesetzte Polarisationsspannung für die Achtercharakteristik wird bei FET-Mikrofonen einem Gleichspannungswandler (GW) entnommen, der im Mikrofongehäuse untergebracht ist. Er arbeitet mit einer Frequenz von etwa 1 MHz und schwingt nur alle 20 bis 40ms kurz an. Dies ist ausreichend, da für die Vorspannung der Kapsel keine Leistung nötig ist. Aus Bild 112 ist die Schaltung eines solchen Mikrofons zu ersehen, und in Bild 113 sind die charakteristischen Diagramme eines umschaltbaren Mikrofons der Type KM 88 (Neumann) abgebildet. In der Tonstudiotechnik wird jedoch vorwiegend eine kugel- bis nierenförmige Richtcharakteristik benötigt.

D. 2. 2. 3. Hochfrequenzschaltung bei Kondensatormikrofonen

Bei dieser Schaltung wird eine Hochfrequenz mit konstanter Amplitude und Frequenz auf einen Hochfrequenzschwingkreis gegeben, dessen Resonanzfrequenz sich unter Einwirkung der an ihn angekoppelten Kapazität des Kondensatormikrofons entsprechend den Schallschwankungen ändert. In unserem Beispiel (Bild 114) bilden die Transistoren T1 und T2 mit dem Kreis K1 einen Gegentaktoszillator, der mit etwa 10MHz schwingt. Er speist eine Brückenschaltung mit den Kreisen K2 und K3. In dem Kreis K2 liegt das Kondensatormikrofon M. Der Kreis K3 dient als Vergleichskreis und enthält außer dem Festkondensator C eine Kapazitätsdiode D3. In der Brückendiagonale liegt eine Gleichrichterschaltung mit den Dioden D1 und D2, an der die Niederfrequenz entsteht. Die Brückenschaltung bietet den großen Vorzug, daß das Rauschen des Hochfrequenzoszillators unwirksam wird. Die Niederfrequenzspannung gelangt zusammen mit einem von der Symmetrie der Brücke abhängigen Gleichspannungsanteil zum Transistor T3 und wird dort verstärkt.

Bei Hochfrequenz besondere Anforderungen

An die Kapsel eines Hochfrequenzkondensatormikrofons werden andere Anforderungen gestellt als an eine solche für Niederfrequenzschaltungen. Während es bei der letzteren auf hohen Isolationswiderstand und hohe Spannungsfestigkeit ankommt, spielen bei der ersteren die Hochfrequenzeigenschaften und die Temperaturkonstanz eine besondere Rolle. [184].

D. I. 2. 3. Elektrodynamische Mikrofone

Der Wirkungsweise des elektrodynamischen Mikrofons liegt das Induktionsgesetz (2. Form) zugrunde. Danach wird in einem Leiter der Länge l, der durch ein gleichbreites homogenes Magnetfeld von der Flußdichte B mit der Geschwindigkeit v bewegt wird, eine Spannung e induziert.

Es gibt grundsätzlich zwei Möglichkeiten der Ausführung dieser Mikrofone. Die erste besteht darin, daß man Stromleiter und Membran miteinander vereinigt. In diese Gruppe gehören die Bändchenmikrofone. Die zweite Möglichkeit bildet das Tauchspulprinzip, das besonders vom elektrodynamischen Lautsprecher her bekannt ist. Der Leiter ist hier in vielen Windungen zu einer Schwingspule aufgewickelt, an der die Membran befestigt ist.

D. I. 2. 3. 1. Bändchenmikrofon

Den prinzipiellen Aufbau eines solchen Mikrofons zeigt Bild 115. Das zwischen den Polschuhen eines kräftigen Magneten aufgehängte Aluminiumbändchen besitzt eine starke Querriffelung, damit eine gute Querstabilität und - zwecks niedriger Eigenfrequenz - eine möglichst schlaffe Aufhängung erzielt wird. Das Bändchen hat einen sehr niedrigen Widerstand von etwa 0,1 Ohm, der mit Hilfe eines Übertragers auf den für den Anschluß der Übertragungsleitung üblichen Widerstand von 200 Ohm herauftransformiert werden muß. Die Wandlerempfindlichkeit dieses Mikrofons beträgt etwa 0,1 mV/ubar und ist damit der des kapazitiven Mikrofons um eine Größenordnung unterlegen.

Das Bändchenmikrofon ist in der in Bild 115 gezeigten Ausführung ein Schnelleempfänger. Wie schon bei dem kapazitiven Schnelleempfänger gezeigt wurde, erfolgt der Antrieb der Membran - hier des Bändchens - durch den mit der Frequenz ansteigenden Druckgradienten, der als Folge des Vorhandenseins einer bestimmten mittleren Weglängendifferenz zwischen Vorder- und Rückseite des Bändchens auftritt. Eine dadurch bedingte Zunahme des Bändchenausschlages wird jedoch dadurch vermieden, daß die Frequenz der Eigenschwingung des Bändchens an die untere Grenze des Frequenzbereiches gelegt wird (schlaffe Aufhängung).

Oberhalb dieser Eigenfrequenz ist dann die Bewegung des Bändchens massegehemmt und sie folgt frequenzunabhängig der Schnelle. Da die Schnelle mit der in Gleichung (51) enthaltenen Geschwindigkeit identisch ist, ergibt sich somit auch eine frequenzunabhängige Spannung am Mikrofonausgang. Die Richtcharakteristik dieses Mikrofons hat als Schnelleempfänger, wie auch die des kapazitiven Schnelleempfängers, die Form einer Acht.

Soll das Bändchenmikrofon eine kugelförmige Richtcharakteristik erhalten, so muß es als Druckempfänger ausgebildet werden. Hierzu ist es nur notwendig, den Raum hinter dem Bändchen so abzudichten, daß der Druck nur auf die Vorderseite wirken kann.

In diesem Falle gehen jedoch die Resonanzen des abgeschlossenen Raumes in den Frequenzgang des Mikrofons mit ein. Der Raum muß deshalb, ebenso wie bei dem noch zu besprechenden Tauchspulmikrofon, eine besondere Ausbildung erfahren.

D. I. 2. 3. 2. Tauchspulmikrofon

In Bild 116 wird der Aufbau eines Tauchspulmikrofons gezeigt. Die an der domförmigen Membran befestigte Schwingspule baut sich lediglich aus miteinander verklebten Windungen feinsten Drahtes auf. Die Schwingspule, deren Widerstand im allgemeinen 200 Ohm beträgt, taucht in den nur etwa 0,2 bis 0,3mm breiten ringförmigen Luftspalt eines Topfmagneten ein. Die Flußdichte des homogenen magnetischen Feldes im Luftspalt muß möglichst groß sein, damit nach Gleichung (51) auch eine größtmögliche Spannung induziert wird.

In der vorliegenden Ausführung ist das Tauchspulmikrofon ein Schalldruckempfänger, da für den Antrieb der Membran nur der an der Vorderseite wirkende Schalldruck in Betracht kommt. Da nach Gleichung (51) eine frequenzunabhängige Spannungsinduktion aber nur dann zu erwarten ist, wenn die Geschwindigkeit der Membran, das heißt die Membranschnelle, ebenfalls frequenzunabhängig ist, muß zwischen ihr und dem Schalldruck Proportionalität bestehen.

Die Linearisierung des Frequenzganges

Normalerweise ist das nicht der Fall, da wegen des Massenwiderstandes der Membran die Membranschnelle bei konstantem Schalldruck mit der Frequenz abnimmt. Der Einfluß des Massenwiderstandes muß also durch bestimmte Maßnahmen wieder kompensiert werden. Das kann am besten dadurch geschehen, daß man die Resonanz des Luftraumes hinter der Membran für diesen Zweck ausnutzt. Um eine über den gesamten Frequenzbereich wirksame Kompensation zu erhalten, schafft man durch Unterteilung dieses Luftraumes in mehrere, miteinander durch Kanäle verbundene verschieden große Räume auch mehrere solcher Resonatoren, die über den gesamten Frequenzbereich sinnvoll verteilt werden.

Bei dem in Bild 116 dargestellten Mikrofon sind drei Raumresonanzen wirksam. Auf diese Weise kann eine ausreichende Linearisierung des Frequenzganges erreicht werden. Für das Mikrofon M100 der Fa. Beyer sind die in den verschiedenen Besprechungsrichtungen wirksamen Frequenzgänge in Bild 117 abgebildet. Aus diesem Bild ist zu ersehen, daß sich, genau wie beim kapazitiven Schalldruckempfänger, durch Druckstauung bei hohen Frequenzen von der Einfallsrichtung abhängige Wandlerempfindlichkeiten ergeben.

Vor- und Nachteile

Das Tauchspulmikrofon hat gegenüber dem Kondensatormikrofon den im praktischen Betrieb besonders hoch zu wertenden Vorteil, daß es kein zusätzliches Stromversorgungsgerät benötigt. Außerdem besitzt es eine höhere mechanische Stoßfestigkeit. Wegen des nicht notwendigen Mikrofonverstärkers entfällt auch bei einer schnellen Bewegung des Mikrofons, wie sie zum Beispiel bei Fernsehen und Film häufig erforderlich ist, das gefürchtete Röhrenklingen.

Bei Verbesserung der noch etwas niedrigen Wandlerempfindlichkeit in Verbindung mit einer Erweiterung des Frequenzbereiches nach hohen Frequenzen zu (entsprechend dem des Kondensatormikrofons) wird dieses Mikrofon in zunehmendem Maße im Studiobetrieb auch dort gebraucht werden können, wo bisher nur das Kondensatormikrofon Verwendung fand. Eine Verbesserung der Wandlerempfindlichkeit ist deshalb notwendig, weil das Mikrofon sonst bei der Aufnahme von Schallereignissen geringer Lautstärke eine zu kleine Spannung abgibt. Da aber die auf den Eingang des nachgeschalteten Verstärkers bezogene Rauschspannung konstant ist, hat diese zu kleine Spannung einen ungenügenden Rauschspannungsabstand zur Folge.

Anmerkung : Die langen Leitungslängen im Studio und die Leitungsverluste sind aber die Hauptursache dafür.

D. I. 2. 4. Piezoelektrische Mikrofone

Bei bestimmten Kristallen, zum Beispiel Quarz, Turmalin, Seignettesalz und auch bei Bariumtitanat, zeigt sich der sogenannte piezoelektrische Effekt. Als Folge einer mechanischen Einwirkung auf die Kristalloberfläche bildet sich eine dem ausgeübten Druck beziehungsweise der daraus resultierenden inneren mechanischen Spannung proportionale elektrische Ladung aus.

Diese Eigenschaft hat man bei den piezoelektrischen Mikrofonen, die man deshalb auch als Kristallmikrofone bezeichnet, ausgenutzt. Wegen des erforderlichen großen piezoelektrischen Effektes eignet sich vornehmlich das Seignettesalz für solche Mikrofone.

Grundlage eines piezoelektrischen Mikrofons sind zwei beispielsweise etwa 0,25mm dicke und 1cm2 große Kristallplatten. Diese werden beiderseits metallisiert und miteinander so verkittet, daß bei einer Durchbiegung des Doppelkristalls - wobei ein Kristall gedehnt, der andere gedrückt wird - die zwischen äußerer und innerer Metallisierung auftretende Spannung in beiden Fällen gleiche Polarität besitzt. Die beiden Außenbeläge können deshalb miteinander verbunden werden (Bild 118).

Der Innenwiderstand (für Wechselspannung) einer solchen Einheit, die man Klangzelle nennt, wird vorwiegend durch ihre Kapazität gebildet. Für den Anschluß an den nachgeschalteten Verstärker gelten somit die gleichen Bedingungen wie für das Kondensatormikrofon.

Dank der um eine Größenordnung höheren Kapazität der Klangzelle, rund 1000pF, beträgt der Einfluß der Schaltkapazität nur noch 10%. Es ist also möglich, je nach Leitungskapazität, eine Anschlußleitung von mehreren Metern zuzulassen, so daß sich der unmittelbare Anbau eines Verstärkers an das Mikrofon erübrigt.

Der das Mikrofon belastende Widerstand braucht bei gleicher unterer Grenzfrequenz ebenfalls nur 1/10 so groß wie der Abschlußwiderstand der Kondensatormikrofonkapsel zu sein, das heißt etwa 5 Mf.

Zu beachten ist die Temperaturabhängigkeit der Kapazität der aus Seignettesalz aufgebauten Klangzelle [185]. Sie kann bei einer Änderung der Temperatur von 20°C auf 35°C, wie sie praktisch möglich ist, um 60% abfallen. Das bedeutet aber, daß sich der Frequenzgang und die Wandlerempfindlichkeit mit der Temperatur ändern; bei 53°C beginnt sogar die Zerstörung des Kristalls. Um diese Änderung möglichst klein zu halten, muß die Leitung wieder kürzer oder kapazitätsarm und der Widerstand hochohmiger, 10MOhm bis 15 MOhm werden.

Für einen piezoelektrischen Druckempfänger vereinigt man zweckmäßigerweise zwei Klangzellen auf einem gemeinsamen Isolierrahmen (Bild 118) und bettet die Anordnung in einer luftdichten Kapsel ein. Wirkt ein Schalldruck auf die Kapsel ein, so kann eine gegensinnige Durchbiegung beider Zellen stattfinden, die dabei elektrisch so in Reihe geschaltet sind, daß sich ihre Spannungen addieren. Eine möglichst weitgehende Durchbiegung und damit hohe elektrische Spannung wird dadurch erzielt, daß die Eigenschwingung der Klangzelle an die obere Grenze des Frequenzbereiches gelegt wird. Die Wandlerempfindlichkeit eines solchen Mikrofons beträgt etwa 0,5 mV/ubar.

Der Vorteil des Kristallmikrofons ist der im Vergleich zum Kondensatormikrofon relativ niedrige Herstellungspreis. Die Temperaturabhängigkeit sowie die Empfindlichkeit gegenüber Feuchtigkeitseinflüssen verhinderten bisher die Anwendung im Studiobetrieb, während das Mikrofon für Amateurzwecke eine große Verbreitung gefunden hat.

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