Theorie zur Richtcharakteristik von Mikrofonen

    Hallo zusammen,

    mich beschäftigt seit einigen Tagen die Frage, warum Mikrofonmembranen
    von wenigen Millimetern Durchmesser eine Richtcharakteristik haben
    können.

    Laut einem schlauen Mikrofonbuch erreicht man eine Niere, indem man
    der Membranrückseite über ein Laufzeitglied Schall zuführt, der sich
    mit dem von der Frontseite auslöscht.

    Aber: Dieses Laufzeitglied kann doch dann nur bei einer ganz bestimmten
    Frequenz und deren ganzzahligen Vielfachen eine Auslöschung bewirken.
    Es müsste also ein Kammfiltereffekt entstehen.

    Außerdem: Die Länge des Laufzeitgliedes beträgt wahrscheinlich nur
    maximal wenige Zentimeter. Die Kleinste Frequenz, ab der eine
    Auslöschung statt findet, würde also schon paar Tausend Herz betragen.

    Zur Acht-Charakteristik.

    Hier trifft Schall von beiden Seiten auf die Membran.
    Warum gibt es hier nicht einen akustischen Kurzschluss wie
    bei Lautsprechern? Schallwellen sollten doch ohne weiteres
    um das Mikro herum auf die Rückseite ziehen können und dort
    die Auslenkung der Membran durch von vorne kommenden Schall
    ausgleichen?
    Ein Lautsprecher ohne Gehäuse schiebt doch auch nur
    Luft hin und her, erzeugt aber unterhalb einer bestimmte
    Durchmesser abhängigen Frequenz keinen nennenswerten
    Schall mehr.

    Bitte beseitigt das Brett vor meinem Kopf :!: :shock:

    Viele Grüße
    Karl

    Die Grundlagen von Schoeps sind sehr gut. Du solltest diese auf jedenfall durchlesen. Dann gibt es noch das Buch "Mikrofon Praxis" von Norbert Pawera. Wenn du weiteres Interesse hast, kann ich das nur empfehlen...

    Der Unterschied zum Lautsprecher ist garnicht mal so groß, wenn du einen "freien" Lautsprecher mit eine mittleren Frequenz betreibst (z.B. 200Hz) und ihn dann drehst wirst du feststellen, dass der Ton lauter und leiser wird (entsprechend der Richtcharacteristik einer Acht).
    Bei Mikrofon sind nur Größe und Masse anders und somit verändert sich auch das "frequenzabhängige Verhalten".

    Gruß
    Cheesy

    Erst einmal Danke für Eure Antworten.

    wora

    Ich habe mir die verlinkte Schoeps Grundlagenseite gerade mal genau
    durchgelesen aber zu meinen eigentlichen Fragen leider keine Antworten
    gefunden.

    cheesy
    Das Buch von Norbert Pawera habe ich auch. Bin gerade dabei es
    intensiv durchzuarbeiten. Und genau dabei sind meine Fragen
    geboren worden.

    Zitat


    Der Unterschied zum Lautsprecher ist garnicht mal so groß,
    wenn du einen "freien" Lautsprecher mit eine mittleren Frequenz
    betreibst (z.B. 200Hz) und ihn dann drehst wirst du feststellen,
    dass der Ton lauter und leiser wird (entsprechend der Richt-
    characteristik einer Acht).

    Aber gerade hier ist ja der große Unterschied:
    Beim Lautsprecher hat man die Acht nur für Frequenzen oberhalb
    des halben Membrandurchmessers (?) und unterhalb dieser Frequenz
    überhaupt keine Schallabstrahlung mehr wegen des akustischen
    Kurzschlusses. Beim Mikrofon gibt es diesen Kurzschluss offenbar
    gar nicht mehr.
    Aber warum bloß? :roll: :?::!:

    Vielleicht, weil ein Mikrofon keine Schallenergie an die umgebende Luft abgeben muss, sondern im Gegenteil gerade auf die Luftschwingungen, die es umgeben, reagiert. So kannst du ja auch mit einem Druckempfänger tiefste Frequenzen aufzeichnen, die kaum ein Subwoofer wiedergeben kann, eben weil das Teil auf Luftdruckänderungen reagiert.

    Ein Subwoofer hingegen wird ja durch sein Gehäuse erstmal von der freischwingenden Luft um ihn herum abgeschottet, und durch das Gehäuse wird ein Masse-Feder-Prinzip angewandt.

    Wäre so meine Theorie zu dem Thema.

    Viel Physik...

    We're on a mission from God. - Elwood Blues

    Zitat von "Karl-Alfred_Roemer"

    Hallo zusammen,

    mich beschäftigt seit einigen Tagen die Frage, warum Mikrofonmembranen
    von wenigen Millimetern Durchmesser eine Richtcharakteristik haben
    können.

    Laut einem schlauen Mikrofonbuch erreicht man eine Niere, indem man
    der Membranrückseite über ein Laufzeitglied Schall zuführt, der sich
    mit dem von der Frontseite auslöscht.

    Bis hierhin richtig verstanden.

    Zitat von "Karl-Alfred_Roemer"

    Aber: Dieses Laufzeitglied kann doch dann nur bei einer ganz bestimmten
    Frequenz und deren ganzzahligen Vielfachen eine Auslöschung bewirken.
    Es müsste also ein Kammfiltereffekt entstehen.

    Außerdem: Die Länge des Laufzeitgliedes beträgt wahrscheinlich nur
    maximal wenige Zentimeter. Die Kleinste Frequenz, ab der eine
    Auslöschung statt findet, würde also schon paar Tausend Herz betragen.

    Nein das ist natürlich Unsinn.

    Um es richtig zu verstehen, warum der Trick ( weitgehend ) frequenzunabhängig funktioniert, muß man sich vor Augen führen, wie das Prinzip Druckgradientenempfänger, das per definitionem alle uni- und bidirektionalen Richtkarakteristiken beschreibt funktioniert.

    Beispiel Niere:

    Schall, der von vorne auf das Mikro trifft legt auf direktem Weg bis zur Membran die Strecke A zurück, auf dem indirekten Weg über die Ports zur Membranrückseite die Wegllänge 2A. die dadurch entstehende Druckdifferenz zwischen den beiden Seiten der Membran = der Druckunterschied = der Gradient ist für alle Frequenzen gleich. ( Wenn man den Unterschied zwischen Nahfeld und Diffusfeld, also zwischen gekrümmter und ebener Wellenfront nicht berücksichtigt ) Nur dieser Gradient, dieser Unterschied wird verstärkt.

    Schall, der von hinten auf das Mikro trifft legt über die Ports den Weg A zurück, von aussen über die Membranvorderseite auch den Weg A !!! ( das ist der Trick bei der Gestaltung der Ports ) Dann ist der Druckunterschied für alle Frequenzen null und es wird nichts verstärkt. Ganz einfach eigentlich.

    Soweit das Prinzip. Daß hinter der Niere der Druckunterschied "mehr oder weniger gleich Null" sein kann hat übrigens sehr viel mit der Qualität des Herstellers und nur für sehr hohe Frequenzen was mit der Physik zu tun und wird daher gern unter den Tisch gekehrt.

    Einmal editiert, zuletzt von guma (11. Januar 2007 um 18:13)

    Vielen Dank an guma für diese wunderbare Erklärung. Es ist aber doch trotzdem so, dass sich die Richtcharakteristik frequenzabhängig ein wenig ändert. hier zu sehen:

    http://www.neumann.com/zoom.php?zoomimg=./assets/diagrams/s180_diagrams.htm&zoomlabel=Diagramm&w=878&h=278

    Gibt es da eigentlich ein Fachbuch, in dem diese Zusammenhänge detailliert physikalisch beschrieben sind???

    Wäre mal gut, sowas auf einen Blick zu haben, auch wenn man es eher selten braucht.

    Zitat von "bertZ"

    Gibt es da eigentlich ein Fachbuch, in dem diese Zusammenhänge detailliert physikalisch beschrieben sind???

    Wäre mal gut, sowas auf einen Blick zu haben, auch wenn man es eher selten braucht.


    Michael Dickreiter: Handbuch der Tonstudiotechnik, Band 1, Verlag K. G. Saur, München
    oder:
    Thomas Görne: Mikrofone in Theorie und Praxis, elektor Verlag GmbH, Aachen

    We're on a mission from God. - Elwood Blues

    Zitat von "bertZ"

    Vielen Dank an guma für diese wunderbare Erklärung. Es ist aber doch trotzdem so, dass sich die Richtcharakteristik frequenzabhängig ein wenig ändert.

    Ich schrieb ja "(weitgehend)", um nicht gleich ein Buch zu schreiben. Bekanntlich ändert sich bei den meisten Nieren der Frequenzgang nach oben Richtung Hyperniere. Das zu vermeiden ist etwas aufwendiger und wird nur von den Edelherstellern, insbesondere Schoeps, bis an die Grenze des physikalisch Machbaren verhindert.

    Von dem guten Duzend Mikrophonbüchern, die ich gelesen habe, finde ich das empfehlenswerteste "das Mikrophonbuch" von Andreas Ederhof.
    Die Erklärungen sind auch für einen Nichtphysiker gut verständlich und trotzdem keine "Dünnbrettbohrerei" ( Der Mann ist studierter Maschinenbauer aber auch Studiofreak )

    Einmal editiert, zuletzt von guma (11. Januar 2007 um 23:13)

    Zitat von "Karl-Alfred_Roemer"

    ...
    wora

    Ich habe mir die verlinkte Schoeps Grundlagenseite gerade mal genau
    durchgelesen aber zu meinen eigentlichen Fragen leider keine Antworten
    gefunden.

    ...

    jes, ich hatte aber auch geschrieben das du dich mit deinen (schon speziellen) fragen an schoeps wenden kannst. der link war lediglich als erste kontakthilfe gedacht.

    die technische grundlage hinter der funktion der mikrofonrichtwirkung hat ja guma sehr schön beschrieben.
    natürlich gibt es in der praxis nicht unerhebliche probleme mit der form und anordnung der resonanz- bzw. laufzeitkammern. da gehört viel forschungsarbeit dazu, wenn man es einigermaßen gleichmässig hinbekommen will. schoeps ist hier genau der richtige ansprechpartner.

    der grund warum sich die richtcharakteristik bei hohen frequenzen einengt liegt vor allem an der membrangröße, je kleiner sie ist desto weniger tritt dieses problem zu tage. auch deshalb klingen kleinmembranen obenrum auch feiner als großmembranen...
    schoeps betreibt da einen sehr hohen mechanischen aufwand - deshalb sind sie eben auch teurer als die konkurrenz und trotzdem jeden cent wert.

    mit kollegialen Grüßen
    Wolfgang

    Hallo,

    Danke erst mal für all die Antworten.

    Hm. Auf den ersten Blick klingt das plausibel. Aber so richtig ins
    Gehirn sacken will das immer noch nicht, weil eine Welle theoretisch
    genau so lang sein kann, dass sich der Druckgradient nie ändert.
    Z.B. Wenn A genau einer Wellenlänge entspricht, ist der Druck vorne
    immer genau gleich groß wie hinten.
    Nimmt der Druck vorne zu, nimmt er hinten auch zu und umgekehrt.

    Ich nehme an, dass es an meinem Verständnis liegt, denn in der Praxis
    scheint das ja alles prima zu funktionieren.

    Wenn sich dieser Scheiß Knoten in meinem Verständnis endlich mal
    auflösen würde !!! :twisted:

    Ist mir wirklich langsam etwas peinlich aber es will einfach nicht dämmern. :oops: :roll:

    Die Welle mit der Wellenlänge A kommt von vorne zum Mikrofon,
    zieht dann daran vorbei und trifft irgendwann auf die hinteren Eingänge.
    Sagen wir mal das erste Maximum der Welle sei gerade am hinteren
    Eingang. Nun hat man an den vorderen Eingängen des Mikros das
    Maximum der zweiten Welle. Gleichzeitig die gleiche Amplitude (nur
    halt von unterschiedlichen Wellen) und damit keinen Druckunterschied.
    Dürfte theoretisch nichts an der Membran herumrütteln.

    00Schneider
    Habe mir eben gerade die Seite von Sengpiel angeschaut. GENAU
    MEIN GESCHMACK. Leider werden mehr Fragen gestellt und weniger
    Antworten gegeben. Wenn der gute Mensch nur mal ein Buch schreiben
    würde:!: Ich würde es gleich kaufen. Selbst wenn es paar
    Hundert Euro kosten würde.
    Bei Amazon habe ich allerdings nichts gefunden :cry: :cry: :cry:

    Sengpiel liest an der UdK Berlin, er lebt davon nicht alles zu sagen, die Studenten sollen ja auch nachdenken. ;)

    Aber es steht doch mal wieder alles bei Wikipedia...

    http://de.wikipedia.org/wiki/Mikrofon#…dientenmikrofon
    http://de.wikipedia.org/wiki/Bild:Druc…4nger%2Bnbe.jpg

    Wobei man da nicht sicher sein kann ob auch alles physikalisch korrekt ist, ich kenne die genannten Mikrofonbücher nicht, aber da ist nicht immer alles richtig.

    Noch ein Buch:
    http://iem.at/~sontacchi/200…rophone%20(Buch).pdf
    Ab Seite 11.

    Lautsprecher verstärken die Stimme, aber nicht die Argumente.

    Hallo KAR,

    versuche mal nicht in Wellenlänge zu denken, sondern in Schnelle.
    Man bezeichnet Druckgradienten- auch als Schnelleempfänger.
    Wenn Du einen Knall hörst, sind tiefe und hohe Frequenzen gleich Schnell bei Dir angekommen. Das gleiche gilt auch für den Umweg um die Membran. Vielleicht nicht 100% ingeniuersmäßig richtig, aber schnackelts jetzt?

    Zitat von "Karl-Alfred_Roemer"

    (einiges)


    Dein Denk-Knoten ist in Wirklichkeit gar keiner: Du liegst mit deiner Vermutung nämlich völlig richtig, dass bei einer bestimmten, vom _akustischen_ Umweg abhängigen Frequenz, kein Druckunterschied mehr auftritt - und bei jedem UNGERADEzahligen Vielfachen dieser Grundfrequenz ebenfalls nicht. Weil diese Kammfiltereffekte einen sinnvollen Einsatz verunmöglichen, verschliesst man die hinteren Lufteinlässe mit akustischen Tiefpassfiltern, so dass die Kapsel oberhalb der ersten Interferenzauslöschung als reiner Druckempfänger arbeitet.

    @ MarkusZ

    Wenn der Gangunterschied, der für den Gradienten benötigt wird, 1 cm beträgt, ab welcher Frequenz braucht man dann den akustischen Tiefpass ? :wink: Wie erreiche denn ( ausser über den Umstand der Abschattung durch das Gehäuse und der fehlenden Beugung vor der Membran für hohe Frequenzen, der aus einer Kugel = Druckempfänger doch ein etwas gerichtetes System macht ) für hohe Frequenzen eine exakte Niere ? Wie stellst Du dir das bei einer Doppelmembran vor ?

    Ich befürchte, Du machst da einen "Nebenschauplatz" auf, der nicht unbedingt das gedankliche Problem des Threadstarters löst.

    Zitat von "guma"

    Ich befürchte, Du machst da einen "Nebenschauplatz" auf, der nicht unbedingt das gedankliche Problem des Threadstarters löst.


    Deine Befürchtung ist unbegründet, da sie exakt die Frage des OP nach einem Gradienten=0 bei halben Wellenlängen und deren ungradzahligen Vielfachen beantwortet.

    Wer an der fachlichen Richtigkeit meiner Antwort zweifelt, kann den Sachverhalte gerne in jedem Grundlagenbuch nachlesen, welches etwas über Wiki-Niveau hinausgeht - unter anderem auch in den verlinkten Quellen von Neumann und Schoeps. Wenn man ein Dutzend Bücher zum Thema gelesen hat, sollte man dieses Grundlagenwissen eigentlich voraussetzen dürfen.

    Zitat von "guma"

    @ MarkusZ
    Wenn der Gangunterschied, der für den Gradienten benötigt wird, 1 cm beträgt, ab welcher Frequenz braucht man dann den akustischen Tiefpass ? :wink:


    Ebenfalls :wink: Leider würde ein solcher Empfänger gar nicht funktionieren, deshalb existiert er in der Realität auch nicht und da es völlig sinnfrei ist, sich über die physikalischen Eigenschaften von inexistenten Dingen Gedanken zu machen, werde ich sicher nicht extra meinen Taschenrechner hervorkramen, um das nachzurechenen :wink: Hint: weshalb heisst es wohl LAUFZEITglied???

    Zitat von "guma"

    Wie stellst Du dir das bei einer Doppelmembran vor ?


    Deutlich schwieriger! Deshalb ist mit einem Doppelmembranempfänger auch nie eine ähnlich gute Richteigenschaft realisierbar wie bei einem "konventionellen" Druckgradient-Empfänger.

    Aha, ein Wespennest :lol: :lol:

    Zitat von "MarkusZ"

    Leider würde ein solcher Empfänger gar nicht funktionieren, deshalb existiert er in der Realität auch nicht und da es völlig sinnfrei ist, sich über die physikalischen Eigenschaften von inexistenten Dingen Gedanken zu machen, werde ich sicher nicht extra meinen Taschenrechner hervorkramen, um das nachzurechenen :wink: Hint: weshalb heisst es wohl LAUFZEITglied???

    Gegenfrage:

    Wie groß oder in welcher Dimension stellst Du Dir denn für ein Kleinmikrofon ( z.B. CMC6/MK4 ) die Differenz zwischen den Strecken vordere Gehäuseöffnung/Membran und dem Weg über den Port zur Membranrückseite so vor oder bei welcher Frequenz würde denn die erste lambda/2 Situation entstehen ?

    Das LAUFZEITglied ist nicht dazu da, wie du vielleicht meinst, Laufzeitfehler zu korrigieren, die so groß sind, daß sie die Interferenzen im hörbaren Bereich erzeugen, die der Threadstarter vermutet, sondern dazu eine kleine, definierte Laufzeitdifferenz = Gangunterschied zu erzeugen, die das von mir oben beschriebene Phänomen des Druckgradienten erst möglich macht.

    In den von Dir genannten Links sowie in dem etwas ausführlicheren Buch "Mikrofonaufsätze" von Schoeps (übrigens ein persönliches Geschenk des Autors Jörg Wuttke an mich ) wird die Funktionsweise des Ports nicht erklärt. Der Port ist übrigens nicht mit der Druckausgleichskapillare zu verwechseln, die in reinen Druckempfängern für den Druckausgleich in der Kammer hinter der Membran ( Elektrode müsste man bei einem Kondensatormikro eigentlich sagen ) sorgt.

    Der Irrtum des Threadstarters beruht wohl darauf, das der beim Druckgradientenempfänger benutzte Gangunterschied nicht größer sondern kleiner ist als lambda/2 der höchsten zu übertragenden Frequenz also z.B. kleiner als 1/2 x 340m/s / 17.000 1/s = 1cm (mein o.g. Beispiel ). Eine "lambda/2 Situation" entsteht dabei nicht !

    Sehr einfach zu verstehen, wenn man sich vor Augen führt, daß es beispielsweise in Miniaturmikrofonen möglich ist, einen ( wohlgemerkt akustischen ! ) Gradienten entstehen zu lassen. Da wird die Dimension unmittelbar einsehbar.