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Mikrofon ohne Membran

Über Geräte und was es darüber zu sagen gibt ...

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Beitragvon alex » 03.02.2011, 16:52

d_fux hat geschrieben:Vollkommen anderes Funktionsprinzip, würde ich mal so sagen...

Dem möchte ich mich anschließen: Das sogenannte Lasermikrofon ist eine andere Baustelle.

Das Prinzip dahinter wird in der Literatur schon länger diskutiert (z.B. Garthe, "Ein rein optisches Mikrofon", Acustica 1991, S.72-89) und ist wesentlicher Bestandteil einer Reihe von Patenten, wie z.B. EP 1116937 "Optisches Mikrophon/Optischer Sensor" von 2001.

Mikrofone dieser Art gibt’s auch im Internet zu kaufen, falls einer schlappe 14.000 Euro übrig hat.

Dem neueren Patent, um das es hier geht (DE 102006013345, Lukas Fischer & Michael Fischer, "Elektroakustischer Wandler, insbesondere optisches Mikrofon ohne Membran"), wurden - wie bei Patenterteilungsverfahren üblich - durch das DPMA diverse Patente entgegengehalten. Jedoch enthält keines davon als Funktionsprinzip eine Laserabtastung schwingungsfähiger Flächen (Glasscheiben o.ä. als Membranen).

Damit hat das DPMA anerkannt, dass es sich bei diesem Patent um ein andersartiges Funktionsprinzip handelt.

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Beitragvon low-fi » 04.02.2011, 14:51

So ganz erschließt sich mir diese 'revolutionäre' Technik noch nicht. Was ist denn jetzt konkret an einem Laser Mikrofon besser als an einem mit einer Membran? Nur die Unempfindlichkeit gegen Körperschall? Ich könnte mir durchaus vorstellen so ein Mikro für Spezialanwendungen einzusetzen, aber für Musikaufnahmen sehe ich da noch nicht so richtig einen Vorteil. Müßte die Laser/Spiegel Konstruktion dann auch miniaturisiert werden um hohe Frequenzen aufzunehmen, um nicht selber ein Hindernis im Schallfeld zu sein?

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Beitragvon pkautzsch » 06.02.2011, 21:05

low-fi hat geschrieben:Was ist denn jetzt konkret an einem Laser Mikrofon besser als an einem mit einer Membran? (...) Müßte die Laser/Spiegel Konstruktion dann auch miniaturisiert werden um hohe Frequenzen aufzunehmen, um nicht selber ein Hindernis im Schallfeld zu sein?


Es hat eben KEINE Membran, d.h. es gibt KEIN Hindernis im Schallfeld*, und keine Membranresonanzen. Die Spiegelkonstruktion hat ja mit den Frequenzen im Schallfeld nichts zu tun, denn die Schallwellen bewegen ja eben nicht die Spiegel, sondern beeinflussen die Wellenlänge des Lasers. Damit ist die "Membran" in Annäherung unendlich leicht und hat damit ein sehr exaktes Impulsverhalten.

*Natürlich bildet das System Laser-Spiegel-Elektronik auch ein gewisses Hindernis. Das läßt sich aber (zumindest mit einiger Entwicklungsarbeit) recht schön klein halten und so formen, daß es das Schallfeld möglichst wenig beeinflußt. So hat man das mit Membran-Mikrofonen ja auch gemacht (vom Marmorblock mit Röhren-Anhängsel zum Lavalier-Anstecker)

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Beitragvon low-fi » 07.02.2011, 11:29

Danke für die Erklärung! :-D

Es leuchtet schon ein das die Membran selber kein Hindernis darstellt und der Laserstrahl selber eine keine Masse/Trägheit hat, ich dachte auch eher an die umgebende Konstruktion. Bei hohen Frequenzen und konventionellen Mikrofonen hat ja selbst schon das Mikrofongitter Einfluß auf die hohen Frequenzen.

Dann wäre der Laserstrahl an sich also ein reiner Gradienten-Empfänger (Acht) und man könnte, ähnlich wie bei Membran-Mikrofonen, die Richtcharakteristik durch die Richtung aus der die Schallwellen eintreffen können festlegen... :hmm:

VG

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Beitragvon alex » 07.02.2011, 13:41

low-fi hat geschrieben:... ich dachte auch eher an die umgebende Konstruktion. Bei hohen Frequenzen und konventionellen Mikrofonen hat ja selbst schon das Mikrofongitter Einfluß auf die hohen Frequenzen.

Im Patent für das membranlose Mikrofon (DE 102006013345, Seite 3) wird dieser Punkt unter "4. Aufgabe" kurz angesprochen:
    Gewünscht wird ein Schallwandler, der die Schallwellen unverzerrt in elektrische Signale umsetzt und dabei ohne bewegliche Bauteile auskommt. Er soll im gesamten hörbaren Frequenzbereich und bei allen Lautstärken arbeiten. Zudem soll er klein genug sein, um das Schallfeld nicht wesentlich zu beeinflussen.
Ein Mikrofon zu konstruieren bedeutet immer, zwischen zum Teil gegensätzlichen Anforderungen einen Kompromiss zu finden, der durch eine Reihe von Einflussfaktoren bestimmt wird.

Um beispielsweise ein über den hörbaren Frequenzbereich empfindliches, präzises und rauscharmes Mikrofon zu bekommen, muss man aus dem Schallfeld genügend Energie zur elektroakustischen Umwandlung ziehen. Dieses ist aber nicht möglich, ohne das Schallfeld mehr oder weniger zu stören.

low-fi hat geschrieben:Dann wäre der Laserstrahl an sich also ein reiner Gradienten-Empfänger (Acht)

Das trifft für die patentierte Konstruktion nicht zu. Das ergibt sich aus den Gleichungen 2 bis 4 (S. 3f) nebst erläuterndem Text:
    Der lineare Zusammenhang zwischen dem Druck des einfallenden Schalls und der verbleibenden Lichtintensität wird im Folgenden erläutert:

    Der Druck im Schallfeld setzt sich zusammen aus dem quasistatischen Druck p- des Mediums ... und dem Druck der Schallwelle p~ ...:

    (Gl. 2) p = p- + p~

    Entsprechend ergibt sich für die Teilchenzahldichte N, nämlich für die Zahl der das Licht absorbierenden Teilchen im Medium der Schallausbreitung je Volumeneinheit:

    (Gl. 3) N = N- + N~

    Zwischen der relativen Druckänderung p~ /p- und der relativen Änderung der Teilchenzahldichte N~ /N- besteht unter Annahme einer adiabatischen Zustandsänderung die Beziehung:

    (Gl. 4) N~ /N- = 1/k * p~ /p-

    wobei k der Adiabatenexponent ist ...

Grüße, alex
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Beitragvon low-fi » 07.02.2011, 16:54

Vielen Dank für die Erklärung Alex! Die Patentschrift hatte ich mir gar nicht angeschaut. Na ja... die Mathematik, oder Thermodynamik, sind auch nicht gerade mein Steckenperd :oops: Du erwartest hoffentlich nicht, daß ich aus der Formel jetzt das Polardiagram ableite :lol: Aber wie würde es denn ungefähr aussehen? Da Luft ein Gasgemisch aus verschiedenen Molekülen ist, und die Konstante laut Wikipedia, Pi-mal-Daumen bei 1,4 liegt, wäre das Reziprok davon 0,71. Damit kennt man aber doch erst den Zusammenhang von Druckänderung zu Absorption...

Außerdem ändert sich der Absorbtionsgrad doch mit Änderung der Luftfeuchte, Zusammensetzung und Temperatur? In einem Raucherclub könnte man also nicht aufnehmen.

VG

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Beitragvon alex » 07.02.2011, 17:52

low-fi hat geschrieben:Du erwartest hoffentlich nicht, daß ich aus der Formel jetzt das Polardiagram ableite :lol:

Aber nein :wink: . Das ginge auch gar nicht, wie du ja festgestellt hast:

low-fi hat geschrieben:Damit kennt man aber doch erst den Zusammenhang von Druckänderung zu Absorption...

Genau genommen liefern diese Berechnungen überhaupt keine relevanten Daten zur Bestimmung des Polardiagramms. In der Patentschrift dienen sie nur zum Nachweis des linearen Zusammenhangs zwischen Schalldruck und Ausgangsspannung der neuen Erfindung. Außerdem können sie zur rechnerischen Ermittlung des Feldübertragungsfaktors verwendet werden.

low-fi hat geschrieben:Aber wie würde es denn ungefähr aussehen?

Die Richtcharakteristik eines idealen Druckempfängers ist bekanntlich kugelförmig. In der Praxis ist die Richtcharakteristik bei Druckempfängern bestimmt durch deren Geometrie, das heißt Form, Proportionen und Abmessungen des elektroakustischen Wandlers ("Mikrofonkapsel" im landläufigen Sprachgebrauch) sowie aller Teile des Mikrofons, die sich in hinreichend kleinem Abstand zum Wandler befinden. Dies ist auch der Grund dafür, dass Druckempfänger gleicher Geometrie identische Polardiagramme aufweisen.

Ohne genaue Kenntnis der Schallempfängergeometrie lässt sich das Polardiagramm rechnerisch nicht ermitteln. Und bei bekannter Geometrie ist es in jedem Falle wesentlich einfacher und präziser, das Polardiagramm eines realen Mikrofonexemplars messtechnisch zu ermitteln.

low-fi hat geschrieben:Außerdem ändert sich der Absorbtionsgrad doch mit Änderung der Luftfeuchte, Zusammensetzung und Temperatur? In einem Raucherclub könnte man also nicht aufnehmen.

Doch, weil hier laut Patentschrift ausschließlich die Absorption eines lichtleitenden Festkörpers relevant ist. Deswegen funktioniert das membranlose Mikrofon unabhängig von optischen Trübungen des Schallausbreitungsmediums. Aus dem gleichen Grund sind Zusammensetzung, Feuchte und Temperatur eines gasförmigen Schallausbreitungsmediums für diese Konstruktion praktisch ohne Belang.

Das bei Wikipedia besprochene Lasermikrofondagegen würde tatsächlich bei starkem Rauch, Nebel o.ä zwischen Schallempfänger und anvisiertem Objekt nur stark eingeschränkt oder überhaupt nicht funktionieren.

Grüße, alex
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