Physikalische Grundlagen: Richtcharakteristik

Plaudy

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Hallo liebes Forum,

ich habe eine technische Frage zur [g=98]Richtcharakteristik[/g]:
Welche(s) physikalische(n) Prinzip(ien) steckt/stecken dahinter?

Ich weiß, was eine [g=98]Richtcharakteristik[/g] ist und wofür man die verschiedenen Arten einsetzt, aber auf welchem Prinzip basiert das?
Phasenauslöschungen und Laufzeitunterschiede?

Habt ihr da vielleicht gute Quellen, wo ich das nachlesen könnte?

Danke!
Plaudy
 
jeder Lautsprecher wirkt wie eine Antenne.

Gehäuse, bassreflexlöcher, Membranform und Membrananordung beeinflussen die Ausbreitung des Schalls, also die ausgestrahlte Schallintensität in Abhängigkeit von zwei Polarkoordinaten.
 
Danke und sorry. Ich meinte das Prinzip bei Mikrofonen. :)
Also wie kann eine Niere z.B. den [g=107]Schall[/g] von 0° lauter aufnehmen, als von 180° oder besser gesagt, wie kommt es zu der Dämpfung bei 180°?
 
Hallo,
das hängt m.W. mit der Anordnung der Mikrofonkapseln(dem eigentlichen Schallwandler) zusammen.
 
Hallo Plaudy,

die [g=98]Richtcharakteristik[/g] hat bei Mikrofonen vom Empfangsprinzip ab.
Es gibt Druckempfänger, die eine reine Kugelcharakteristik haben und Druckgradientenempfänger, die dann z.B. Achtercharakteristik haben. Umschaltbare Mikrofone besitzen zwei Membranen, die durch Umpolung so verschaltet werden, dass die resultierende [g=98]Richtcharakteristik[/g] entsprechend wie eine Niere, Acht etc. ausfällt.

Lesestoff findest du hier:

Mikrofonaufsätze von Jörg Wuttke, ehemal. technischer Leiter bei Schoeps.
In diesen sehr wichtigen Grundlagenartikeln zur Mikrofontechnik findest du viele Antworten. Ich habe mal das für dich relevanteste 1. Kapitel direkt verlinkt.

http://schoeps.de/D-2004/PDFs/Mikrofonbuch_Kap1.pdf

Die anderen Kapitel sind unter

http://schoeps.de/D-2004/miscellaneous.html ganz unten anwählbar.

Dann findest du hier noch den Zusammenhang der Mikrofoncharakteristiken:

http://www.sengpielaudio.com/ZusammenhangMikrofonRicht.pdf

Hier ist das Prinzip von Doppelmembrankondensatormikrofonen mit umschaltbarer [g=98]Richtcharakteristik[/g] beschrieben:

http://www.sengpielaudio.com/DoppelmembranKondensatormikrofon.pdf

Auf dieser Seite kannst du auch nochmal Suchbegriffe eingeben und du erhälst sehr informative kurz gehaltene Scripts:

http://sengpielaudio.com/Suchmaschine.htm


Viele Grüße,

Fluffi
 
Hallo Fluffi,

vielen Dank für die Links. Da werd ich mich mal einlesen.
Danke!

Plaudy
 
aber auf welchem Prinzip basiert das? Phasenauslöschungen und Laufzeitunterschiede?

Bei einmembranigen, gerichteten Mikrofonen schon. Stichwort: Laufzeitglied.
Deshalb haben solche Mikrofone auch immer eine Öffnung hinter der Membran und werden zur Kugel, wenn diese verschlossen wird.
Dieser Effekt tritt zum Beispiel dann in unangenehmer Weise auf, wenn ein Sänger glaubt, das Mikro mit beiden Händen am Korb umklammern zu müssen.
 
Hallo,

in den Links sollte es ausführlich erklärt sein. Für die Ungeduldigen versuche ich hier eine kurze "populärwissenschafltiche" Erklärung.

Die Membran hat eine Vorder- und Rückseite. Auf die Vorderseite wirkt der Druck p1, auf die Rückseite der Druck p2.
Die Membrane bewegt sich in die Richtung des kleineren Druckes. Ist etwa der Druck auf der Rückseite kleiner als der Vorderseitendruck, so bewegt sie sich nach hinten.
Wird die Rückseite durch ein luftundurchlässiges Gehäuse verschlossen, so ist der Druck auf der Rückseite der Membrane konstant, nämlich der Druck der eingeschlossenen Luft. Es wirken also nur noch die Druckschwankungen der Vorderseite auf die Membran ein.
Der Druck ist eine skalare Grösse (Zahlenwert mal Pascal), hat also keine Richtung.
(Eine Geschwindigkeit hingegen ist ein Vektor, hat also einen Zahlenwert [Betrag der Geschwindigkeit] und eine Richtung [etwa, nach vorne, nach hinten, oder schräg nach rechts].)
Ein solches Mikrophon nimmt also Luftdruckschwankungen auf, kann somit also keine Richtung detektieren: Kugelcharakteristik.

Nun macht man in das Rückseitengehäuse Löcher rein, und zwar so:

|---------------:
|
|_________ :

(Membran ist links, dann kommt das Gehäuse, hinten sind Löcher drin.)

Schallwellen, die von vorne (von links) kommen, treffen auf die Membran auf, laufen um das Gehäse drum herum zur Rückseite des Gehäuses, durch die Löcher in das Innere des Gehäuses und dann zur Rückseite der Membran. Dazu benötigen sie, wegen der längeren Wegstrecke, eine gewisse Zeit t, die einer halben Wellenlänge entspricht: Vorne steigt der Druck p1 an, an der Rückseite der Membran sinkt der Druck p2 ab: Die Membran bewegt sich nach hinten. (Laufzeitglied.)
Schallwellen kommen von hinten: Sie gelangen durch die Löcher ins Innere des Gehäuses und auf die Membran: Rückseitendruck p2 steigt.
Die Schallwelle teilt sich aber auf und läuft auch außen am Gehäuse herum und gelangt nach derselben Wegstrecke, somit zur selben Zeit wie die Schallwellen, die zur Rückseite der Membran laufen, zur Vorderseite der Membran: Der Vorderseitendruck p1 steigt zur selben Zeit auch an, und die Membran bewegt sich nicht, da Vorder- und Rückseitendruck gleich groß sind: Nierencharakteristik.

Das ist das Prinzip.

In Echt hat das Gehäuse der Kugel ein leicht verstopftes Loch, damit sich sehr langsame Druckschwankungen aufgrund des Wetters (Hochdruckgebiet, Niederdruckgebiet) ausgleichen können. Die schnellen Druckschwankungen aufgrund des Schalls können sich aber wegen der leichten Verstopfung des Loches nicht ausgleichen.

Das Laufzeitglied der Niere funktioniert so streng wie oben beschrieben nur für exakt eine Wellenlänge oder [g=349]Frequenz[/g]. Deshalb ist die Nierencharakteristik von der [g=349]Frequenz[/g] abhängig, wie man den Herstellerkurven entnehmen kann.

Das ist die kurze "populärwissenschaftliche" Erklärung. Alle Exaktheiten und Details sollten sich in den angegebenen Links weiter oben im Thread finden.

MfG
 
> Bei einmembranigen, gerichteten Mikrofonen schon. Stichwort: Laufzeitglied.

Äh, nein. Es geht um Phasenauslöschung, dadurch dass eine Nierenkapsel durch ihre nach hinten halboffene Konstruktion 50:50 Schalldruck(=Kugel)- und Schallschnelle(=Acht)-empfängercharakter hat. Vor der Membran addieren sich diese Anteile, dahinter löschen sie sich aus.

Die Laufzeit um die Membran herum bewirkt, dass die [g=98]Richtcharakteristik[/g] leicht von diesem Ideal abweicht und das auch frequenzabhängig. Mehr beim Großmembraner (größere Membran->mehr Laufzeit um die Membran herum), weniger beim Kleinmembraner.

Gerhard
 
Das ist die kurze "populärwissenschaftliche" Erklärung. Alle Exaktheiten und Details sollten sich in den angegebenen Links weiter oben im Thread finden.
Richtig, die Links erklären das wirklich gut und ausführlich. (Trotzdem Danke für deine Zusammenfassung.)

Von meiner Seite ist die Frage durch die Links beantwortet.

Danke an alle!

LG
Plaudy
 
> Das ist die kurze "populärwissenschaftliche" Erklärung. Alle Exaktheiten
> und Details sollten sich in den angegebenen Links weiter oben im Thread
> finden.

Es tut mir leid Burkie, aber die Erklärung ist leider falsch. Die Wellenlängen im größten Teil der hörbaren [g=107]Schall[/g] sind viel zu lang als dass man damit die Nierencharakteristik erklären könnte. Die Laufzeiten spielen erst bei recht hohen Frequenzen eine Rolle. Ein 1 kHz-Ton hat eine Wellenlänge von 34cm, da machen die paar Millimeter um die Membran rum nicht viel aus. Trotzdem hat man bei 1kHz eine klare Nierencharakteristik. Bei 100Hz sind es sogar 3,4 Meter und die Niere tut's trotzdem.

Das Prinzip der Niere resultiert aus der Kombination von zwei Typen von Schallempfängern:

Druckempfänger (Kugel) sind im Prinzip geschlossene Kapseln mit einer Membran, dir durch Luftdruckschwankungen reingedrückt und rausgezogen wird. Egal von woher der [g=107]Schall[/g] kommt, Druck breitet sich gleichmäßig in alle Richtungen aus und drückt die Membran immer nach innen und außen. Das Signal hat - das ist für die Niere später wichtig - immer die gleiche Phasenlage, unabhängig davon, ob der [g=107]Schall[/g] von vorne oder hinten kommt.

Druckgradientenempfänger sind offene Kapseln, im Idealfall eine Membran in einem frei stehenden Ring. Da der Druck von vorne und hinten gleichzeitig wirkt, reagieren sie nicht auf Druckschwankungen. Sie werden angeregt von der Bewegung der Luftmoleküle, erfassen also die Schnelle der Moleküle. Die Bewegung der Moleküle erfolgt in Richtung der Schallausbreitung. [g=107]Schall[/g] von der Seite bewegt die Moleküle parallel zur Membran und sie reagiert nicht. [g=107]Schall[/g] von vorne und hinten bewegt die Membran. Daraus resultiert die Achter-Charakteristik. Wichtig dabei ist, dass [g=107]Schall[/g] von hinten in die entgegengesetzte Richtung drückt wie der gleiche [g=107]Schall[/g] von vorne, da es um die Bewegung der Moleküle geht, die Phasenlage ist also bei Besprechung von hinten umgedreht.

Eine Nierenkapsel ist eine Kombination der beiden Prinzipien, indem sie hinten halboffen ist, z.B. durch Bohrungen in dder Rückwand. Die Membran reagiert sowohl auf Druck als auch auf die Bewegung der Luftmoleküle. Spricht man von vorne rein, addieren sich die Wirkung von Druck- und Druckgradientenempfänger. Von hinten besprochen ist aber der Anteil des Druckgradientenempfängers gegenphasig, während der Druckanteil sich nicht in der Phase ändert. Die beiden heben sich deshalb auf und die Nierenkapsel nimmt nichts auf.

Die Laufzeit spielt nur als 'Dreckeffekt' eine Rolle, aufgrund dessen die Kompensation von Druck- und Druckgradient nicht 100% funktioniert. Wenn es um die Kompensation durch Laufzeiteffekte ginge, müsste der Frequenzgang wie ein Kammfilter aussehen, Achterbahn zwischen 0 und 100%. Es sind aber nur leichte Abweichungen.

Gerhard
 
Hallo,

Du hast natürlich recht. Bei kurzen, anschaulichen Erklärungen geht leider immer etwas verloren, was die Erklärung dann leider unvollständig bzw. in der Exaktheit falsch macht.

Danke für Deine Ergänzung. Ich denke, damit ist alles zum Thema gesagt. (Wenn man das Thema Richtrohrmikrophone nicht noch anschneiden möchte.)

MfG
 

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