CN100403852C - 静电麦克风 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于电声设备的静电麦克风。本发明的静电麦克风具有电伸缩或磁伸缩元件，最好是压电元件，它们与一个可调的电压源相连接，并且电伸缩或磁伸缩元件的尺寸改变导致炭精盒或转换器内部几何结构的改变。这样声学上对相应设备进行适配，并且个体的和动态的适配也是可能的。

Description

静电麦克风

技术领域

本发明涉及用于电声设备的静电麦克风，其中的转换器不是按电磁，电动，静电原理工作就是按压电原理工作，并且转换器不是实现成扬声器就是实现成受声器。

背景技术

这种设备主要由实质上的电声变换器构成，它被用在所谓的炭精盒，炭精盒再被装在设备外壳中，在外壳中还有其它必要的电子元件。

电声设备至少含有一个所谓的电声炭精盒，它可以被实现为扬声器或受声器。为了简化语言，在本说明书和专利要求书中称此至少包含一个实现为受声器的炭精盒的电声设备为麦克风，称具有至少一个实现为扬声器的炭精盒的电声设备为耳机。

但是这两个设备有共同性：设备的声学性能由设备生产厂在生产过程中确定，并且此后其性能不能针对最终使用者改变。简言之，称为设备的一个不可变更的“声特性”。

具有一个电声炭精盒的麦克风的声学性能主要决定于膜片与电极之间的距离及炭精盒的调整件的结构。如果在活动的，受声场作用的电极，膜片以及固定电极之间的几何参数是确定的，并且如果声学调整件被计算在炭精盒内部(窄的通道，封闭的容积和仅仅部分空气渗透的区域)且是机械实现的，则方向性，灵敏度和频率响应都是确定的和不可改变的。

因此总是根据所考虑的用途来设计炭精盒，并且一般不可能在另一个外壳或设备中装入一个已存在的炭精盒而没有大的质量损失。这对于受声器和扬声器都是如此。

上述特性使得一系列的炭精盒开发完全不考虑支架支撑和创立不同的生产工具，它们尤其在如今流行的快速模块更换时会变得很贵。

电声炭精盒的声学调整现在必须不按随机原则由测试序列确定，而是可以在广泛的领域中被计算。这个计算基于用于声学和电学的数学模型的一致性并且根据电声的仿真原理进行。此计算借助所谓的等效电路实现。此外，电学中的一个电感线圈对应于声学中的窄而长的通道，电学中的电容对应于声学中的封闭容积，电学中的一个欧姆电阻对应声学中的用多孔的和仅部分渗透空气的材料盖住的孔。所以声学面可转换为一个电路图，此电路图以电子技术一般规则在所希望的意义上被设计和调整，并且其结果被转换回声学领域。

通过组合所有这三种电声元件可以对相应电声转换器进行所希望的调整。已经表明：对于电声转换器的一个合乎目的的音色调整，窄通道尤其扮演了一个主要角色。一个窄通道不仅具有一个感抗成分，而且也具有较明显大小的欧姆电阻成分。后者的存在归诸于窄通道中的流动损耗。

所谓的摩擦匹配的形成基于此认识：它不仅在阻抗中具有欧姆电阻成分，也具有电感成分，它已被AT400 910B所说明。该发明建议两个由硬材料加工的并且在边上具有小孔的小板借助于一个螺钉固定在小板的中央。通过实现的小板相互扭转，可以影响此结构在轴向方向上的结构的阻抗。

另一个已公开的改变阻抗可能性是小板不是相互扭转，而是小板间的距离借助于中心螺钉被改变。如此形成所谓摩擦匹配的阻抗改变主要影响麦克风或耳机的声音。这就是说，不仅麦克风或耳机的频率响应，同时其方向特性也被改变。在每种情况下，并且不依赖于在生产时炭精盒的调整单元是否可被改变，目前声学调整只在组装炭精盒之前进行一次，并且在声学设备的整个寿命期中保持不被改变。这种情况是麦克风或耳机的使用者所不乐意接受的。

不是只有电声设备的声音特性对于其合乎目的的应用才有决定性意义。它的有关传输质量的性能也是重要的。它们主要由电声转换器的灵敏度决定。

其它的联系如下所述：除了已说明的声学阻抗匹配(摩擦匹配)的影响之外，电极和膜片间的距离影响炭精盒容量，从而影响炭精盒的灵敏度。上面所述炭精盒由于其在麦克风外壳中的结构，电气上连接于麦克风外壳中的放大器的输入端。从而麦克风的电声传输性能主要由两个元件决定。即不仅最低声压，而且最高声压也与麦克风炭精盒和麦克风放大器有关，这里最高声压是指在不明显降低传输质量条件下所能传输的最高声压。

还可传输的最低声强度被麦克风的所谓自身噪声所限制。这里是指热噪声，它存在于所有电子设备中。最强的可传输声强度决定于麦克风放大器的有限的供电电压，因为放大器的输出电压不可能高于其供电电压。

电声领域的开发工程师总是如此结构电声设备，使得它们无明显质量降低地传输非常轻的和非常响的声音事件。为了结构用于更小声压的麦克风炭精盒，必须如此构造，使得它对于声压起伏尽可地灵敏。即其传输系数应尽可能地大。在静电受声器中这可如此实现：电极间的距离保持尽可能小。然而另一方面在非常高的声压时放大器输入端上的电压如此之高，以至甚至于在较低的声压下放大器的输出电压达到作为放大器自动限幅界限的放大器供电电压高度。这就是说，对于最小和最大可传输声压，即所谓的动态范围，必须作出折衷。

如果人们知道在一个录音位置上只指望轻的声音事件例如音乐会的钢琴乐章，或只指望响的声音事件，如打击乐器录音，可以通过熟练地布置麦克风部分地克服上述缺点。这就是说，在轻的声源处麦克风接近声源放置，相反，在响的乐器处麦克风远离声源放置。显然，这是困难的并在非常少的情况下才可能。

某些麦克风生产厂通过构造一个所谓的减弱器帮助自己脱离困境：在炭精盒和放大器之间按需要手动接入一个分压器，使得在响的声音事件时没有太大的炭精盒信号被放大器接收到。麦克风炭精盒信号的减弱在静电麦克风转换器时在高欧姆范围进行，从而存在一个系列电路技术难点。首先对于高阻电路必须使用合适的开关。这意味着考虑应用专门的并从而昂贵的开关。因为在所述例子中涉及一个静电原理工作的麦克风炭精盒，它在麦克风的电子电路中表现为一个电容器，因而必须用一个所谓的电容分压器。它们借助于电容器实现，并使得所需的信号减弱可在宽范围内进行。可惜的是当一个电容的减弱器被用于这种炭精盒时失真系数(输出信号的失真)增加到可听出。因此这种麦克风被避免用于高质量应用中。

发明内容

因此存在较大的对于那些转换器或炭精盒的需求，它们的电声性能在其生产之后还可被有针对性地并简单地，最好在装炭精盒到外壳中时被更改。当然，电声设备的使用者感兴趣的是能使声学性能与相应的应用相适配。

为了解决此问题，本发明规定：转换器或炭精盒的内部几何结构的变动通过电伸缩或磁伸缩元件，最好由压电元件实现。

在本发明说明书和权利要求书中，“内部几何结构的改变”不仅是指静电转换器的电极与膜片之间距离的改变，而且也指炭精盒的元件相互间距离的改变，例如在一个上面提及的摩擦匹配情况下，或者是打开或关闭的变化，或者是孔或类似物尺寸变化。

在本发明说明书和权利要求书中，“电伸缩或磁伸缩元件”是指所有这些元件，它们在加上电压时其自身的几何尺寸以由所加电压决定的大小可还原地改变。例子是上面提到的压电元件，通过加上一个电压其几何尺寸可还原地改变，它也指那些磁伸缩元件，在磁场作用下它们的几何尺寸可还原地改变。

附图说明

下面借助附图详细说明本发明。附图中，

图1是按照现有技术的一个电声转换器，

图2示出电声仿真的对应关系，

图3是已公开的摩擦匹配简化侧视图，

图4是本发明的电声摩擦匹配，

图5是按本发明构成的转换器，并且

图6，7和8示出细节。

具体实施方式

图1作为例子示出一个按电声原理工作的用在麦克风中的受声炭精盒。麦克风的声学特性主要决定于膜片1和电极2之间的距离以及炭精盒的声学调整元件3的结构(后面的容积大小，在后面的声音入孔的摩擦，电极中孔的大小和数量)。如果活动的并置于声场中的电极，膜片和固定电极2之间的几何参数是固定的，并且如果在炭精盒内部声学调整参量3(窄通道，封闭的容积以及仅部分渗透空气的区域)被计算且被机械上实现，则方向性，灵敏度，频率响应都被确定并且是不改变的。所示出的炭精盒的“边界条件”由未示出的麦克风外壳确定，在它被改变后在炭精盒内部相应的调整参量3不再能保证所要的传输性能。

图2示出电声仿真的对应元件关系，左边是声学元件，右边是对应的电学元件：声学领域中窄而长的通道31对应电学领域中的一个线圈32，声学领域中的封闭容积33对应电学领域中的一个电容器34，并且声学领域中的用多孔且仅部分渗透空气的材料盖住的孔35对应电学领域中的一个欧姆电阻36。

图3示出按照上面引证的AT-B的一个摩擦匹配(Reibungspille)。它由两块由硬材料加工成的在边上具有小孔39，40的平板36，37构成，它们用一个位于它们中心的螺钉38连结。通过有目的地相互旋转平板36、37，可以在轴向上影响该结构的声学阻抗，因为通过旋转改变了路径长度。

图4示出一个电声摩擦匹配按照本发明的实施例。它由两个由压电材料构成的在边上具有小孔的平板6、7组成。平板6和7的电连接通过任一已公开的连接方式4实现。这些平板在上和下侧面被金属化并且电气上串联连接。通过连接一个直流电压源它们如此延伸：平板6、7间的距离5缩短。

连接在平板上的电压的改变通过改变平板6、7间的距离5来改变轴向声学阻抗。从而其中装有此摩擦匹配的麦克风或耳机的声音可从外部受影响而不必要拆开麦克风或耳机炭精盒或者麦克风或耳机，也无需再组装它们。

这也是可能的：两块平板6或7中的一块由普通材料，例如塑料或金属加工成的平板所代替。这样仅有一块板对板间距离的减小产生贡献。这些平板不一定设计成圆形，也可用所有其它几何形状，从矩形直到椭圆形，但是它们必须每一块至少有一个位于边上或内部的用作空气或声音通道的孔8。平板6、7的初始距离在所示实施例中由平板7在边上的小阶梯9确定。也可用一个垫圈代替阶梯9。可以通过改变所加电压的极性不仅缩短而且也能增加平板间的距离(阶梯9的径向距离)。

图5示出一个由压电材料加工成的电极在本发明中的应用，它可应用在电声麦克风炭精盒中。与图1所示传统电声麦克风炭精盒的区别在于电极12。它现在有第二个圆盘，并且不仅通过电连接作为电声转换器的一个电容器电极与麦克风放大器连接起来，而且通过第二根连线14连接于第二个电路。这样电极12可以通过加控制电压到连线14上来改变其厚度，从而也改变电极12和膜片11间的距离。当然也可以在膜片支撑环15的区域内设置压电元件，使得膜片和电极间距离直接改变，而不是通过间接改变电极12的厚度来改变它。

主要优点在于用这种方法来影响麦克风的灵敏度。于是不再使用上述外部的衰减电容器，而是直接改变膜片和电极间的距离。对应于通过加控制电压到电极上而导致的转换器的电极11，14间距离的减小是炭精盒灵敏度的提高。因为随着膜片和电极间距离的减小，炭精盒的容量也增大。从而得到下述优点：在灵敏度上调整的炭精盒也自动具有大容量。因为炭精盒容量愈大，一个C麦克风的噪声愈小，从而本发明使得构造高灵敏度且低噪声的麦克风成为可能，此麦克风还具有大的动态范围，因为在记录响的声音事件时炭精盒可被切换为低灵敏度(电极和膜片间有大的距离)。

为了提供更佳的可重复结果，可在麦克风中相应引入炭精盒容量作为调整时的测量值。从而对电极间距离有负面影响的加工误差和温度影响也可以简单而可靠的方法被补偿。相应电路的调整对于具有本发明知识的调整麦克风的专业人员而言是没有问题的。

因为在两个应用例中的压电平板电学上是高阻的，没有更多的电流流过它，这对于电声设备的总耗电来说有正面影响。从电学角度看，上述平板可视为一个电容器的平板，这意味着在控制电路中只有短时间的充电电流，它持续到电容器被充电到所连接的电压为止(几个毫秒的时间)。由于上述原因(无电流)，可称此连接到平板上去的电压为偏振电压。

偏振电压的大小可以连续地或者以设定的等级改变。电压源本身是一个直流电源，并且其电压根据需要可以到100V左右。因为电压源不必须提供额定的电流强度，也可以放弃所有电流保护措施(电流限制)。电压可以由设备的供电获得(在电容麦克风中为幻象馈电)，或者由一个连接在设备上的可调电压获得。

应用具有特别高的伸缩系数的压电元件自然是有好处的。从而各个电声元件可以单独地被作用。如图6所示，在炭精盒或摩擦匹配中可在一个元件19中通过用控制电压由一个压电反应平板21来打开或关闭通道16，也可以如图7所示，通过并行接通另一个容积18来增大容积17的声学意义上的大小。也可如图8所示，例如被安装在声通孔35中的整个摩擦匹配被移动或“盖住”。其中21表示一个由压电材料加工成的，以上述方式用控制电压控制的平板。加有控制电压的平板21打开或关闭那些用于声学调节图中未示出的炭精盒的元件。

基于电声原理并作为麦克风工作的电声转换器或炭精盒的动态适配是如此实现的：在主声源和麦克风之间配置一个确定声音电平的受声器，其测量值被用于调整加到电伸缩或磁伸缩元件的电压通过快速数据处理和压电元件的快速适配，在一次录音中麦克风的灵敏度可根据实际的声音电平完成适配。

Claims (12)

1.用于电声设备的静电麦克风，其具有电伸缩或磁伸缩元件(6，7；12；21)，所述电伸缩或磁伸缩元件连接到一个与电极和膜片是否接触无关的电路，所述静电麦克风还具有一个可调电压源，用于向电伸缩或磁伸缩元件提供预定的电压，其中所述电伸缩或磁伸缩元件是指在加上电压时一个其本身几何尺寸以由所加电压决定的大小可还原地改变的所有元件，它们与所述的可调电压源相连接，并且电伸缩或磁伸缩元件(6，7；12；21)的尺寸改变导致麦克风内部几何结构的改变，其中内部几何结构的改变不仅是指电极与膜片之间距离的改变，而且也指各元件相互间距离的改变。

2.如权利要求1所述的静电麦克风，其特征在于，所述的电伸缩或磁伸缩元件是压电元件。

3.如权利要求1所述的静电麦克风，它基于电声原理工作，并具有一个膜片和一个电极，其特征在于，电极(12)是电伸缩或磁伸缩元件。

4.如权利要求1所述的静电麦克风，它基于电声原理工作，并具有一个电极和一个借助于一个环形距离保持件与电极保持距离的膜片，其特征在于，距离保持件是电伸缩或磁伸缩元件。

5.如权利要求1所述的静电麦克风，它基于电声原理工作，其特征在于，由电极和膜片构成的炭精盒的容量作为测量值被用于确定电伸缩或磁伸缩元件所加电压的调整电路，以补偿对电极和膜片间的距离有负面作用的加工允差和温度影响。

6.如权利要求1所述的静电麦克风，它基于电声原理并作为话筒工作，其特征在于，在主声源和话筒之间配置一个确定声音电平的受声器，其测量值被用于调整电伸缩或磁伸缩元件所加的电压。

7.如权利要求1所述的静电麦克风，它具有至少一个声音进口，其特征在于，在声音进口区域中设置一个电声的摩擦匹配，它由两块由电伸缩或磁伸缩材料加工的平板(6，7)构成，这些平板(6，7)在其上和下侧面被金属化并且具有一个电连接(4)，并且它们电气上串联连接。

8.如权利要求7所述的静电麦克风，其特征在于，所述平板(6，7)在边上具有小孔(8)。

9.如权利要求7或8所述的静电麦克风，其特征在于，所述平板(6，7)由压电材料加工而成。

10.如权利要求1所述的静电麦克风，其特征在于，电伸缩或磁伸缩元件(21)根据它们相应的几何结构打开或关闭一个声通道孔(35)。

11.如权利要求1所述的静电麦克风，其特征在于，电伸缩或磁伸缩元件根据它们相应的几何结构将第二个空心空间(18)与第一个空心空间(17)连结或使其分开。

12.如权利要求1所述的静电麦克风，其特征在于，电伸缩或磁伸缩元件(21)根据它们相应的几何结构打开或关闭一个元件(19)的一个通道(16)。

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