Einleitung

Mikrofonkapseln stellen ein komplexes elekro-mechano-akustisches System dar, bei dem das Zusammenspiel der einzelnen Komponenten die Eigenschaften des Schallwandlers bestimmt. Zu den wesentlichen Eigenschaften zählen die frequenzabhängige Empfindlichkeit, die Richtcharakteristik sowie der Signal-Rausch-Abstand [1, S. 53]. Bei der Konstruktion eines Mikrofons müssen daher zahlreiche verschiedene Parameter berücksichtigt werden.Während die elektrischen Eigenschaften maßgeblich durch das verwendete Wandlerprinzip und die mechanischen Eigenschaften vor allem durch die Konstruktion der Membran bestimmt werden, wird die akustische Domäne durch akustische Massen, Federn und Widerstände beschrieben, die sich aus den Schallfeldbedingungen vor und hinter der Membran ergeben [2, S. 216 ff]. Die Modellierung der akustischen Elemente ist vergleichsweise komplex, gleichzeitig bieten die akustischen Eigenschaften einer Mikrofonkapsel vielfältige Möglichkeiten, die Eigenschaften des Wandlers gezielt anzupassen und zu optimieren. Die Bedeutung dieser akustischen Gestaltungsparameter wird in verschiedenen Anwendungsfeldern deutlich. Bei MEMS-Mikrofonen stehen insbesondere kleine Chip-Abmessungen und eine kompakte Bauform im Vordergrund, während gleichzeitig eine hohe Empfindlichkeit, sowie ein günstiges Tiefton-Übertragungsverhalten erreicht werden sollen [3]. In diesem Zusammenhang werden vor allem das Rückkammervolumen, Ventilationsöffnungen und die Gestaltung der Gegenelektrode als wesentliche Faktoren auf die Eigenschaften des Schallwandlers beschrieben [4] [5]. Auch bei Kondensator-Messmikrofonen spielen akustische Konstruktionsparameter eine zentrale Rolle. So beschreibt [6] die Auslegung eines Kondensator-Messmikrofons, bei dem unter anderem Form und Volumen der Hohlräume hinter der Membran sowie Ventilationsöffnungen für den statischen Druckausgleich berücksichtigt werden müssen. Sowohl für MEMS-Mikrofone als auch für Kondensator-Messmikrofone werden also neben den akustischen Eigenschaften der Gegenelektrode sowie des Luftspalts zwischen Gegenelektrode und Membran vor allem das Rückkammervolumen und die Ventilationsöffnungen als wichtige Parameter zur Beeinflussung des Frequenzgangs genannt. Die Nachgiebigkeit der akustischen Feder des Rückkammervolumens hat dabei direkten Einfluss auf die Empfindlichkeit des Wandlers. Durch die rückseitige Kopplung der Membran an das Schallfeld über die Ventilationsöffnungen kommt es außerdem zu einer Dämpfung der Membranschwingung und somit zu einer Abschwächung des Mikrofonsignals im tieffrequenten Übertragungsbereich [7] [8]. Zur Analyse und Optimierung des Übertragungsverhaltens von Mikrofonkapseln existieren verschiedene Modellierungsansätze. In der Literatur wird hierfür häufig die Methode der konzentrierten Elemente („lumped-element-method“) verwendet. Dabei werden die elektrischen, mechanischen und akustischen Eigenschaften des Schallwandlers durch ein gekoppeltes Ersatzschaltbild beschrieben, das die Simulation des Übertragungsverhaltens ermöglicht [9, S. 123] [10]. Obwohl der Einfluss akustischer Parameter auf hochwertige Studio-, Mess- und MEMS-Mikrofone umfangreich untersucht wurde, existieren nur wenige Veröffentlichungen zur Übertragungscharakteristik kostengünstiger Elektretmikrofonkapseln. Da der prinzipielle Aufbau von normalen Kondensatormikrofonen recht ähnlich ist, ist es naheliegend, etablierte Methoden auch für die Frequenzgangsoptimierung kostengünstiger Kondensatorkapseln anzuwenden. Ziel dieser Arbeit ist die Untersuchung des Einflusses des Rückkammervolumens sowie der Ventilationsöffnungen auf den Frequenzgang von Kondensator- und Elektretmikrofonkapseln. Hierzu wird das Übertragungsverhalten zunächst mithilfe eines elektrischen Ersatzschaltbildes simuliert und anschließend durch vergleichende Messungen an einer Elektretmikrofonkapsel experimentell untersucht. Auf dieser Grundlage werden die Einflüsse der beiden Konstruktionsparameter analysiert und die Simulationsergebnisse anhand der Messungen bewertet.

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