Piezo- und Keramikmikrofon
               


 

 

Das Piezomikrofon erlebte seinen Höhepunkt in den 30er bis 50er Jahren des letzten Jahrhunderts. Sie waren auch unter dem Namen "Kristall-Mikrofone" bekannt. Sie bestehen aus kristallinen Materialien wie Quarz oder Seignettensalz. Werden diese Materialien mechanisch verformt, so entstehen an deren Oberflächen elektrische Ladungen. Diese Ladungen sind proportional zu den auftretenden Kräften. Es ist somit ein lineares Wandlungsprinzip. Da umgekehrt bei dem Anlegen eines elektrischen Feldes an diese kristallinen Materialien eine Auslenkung erfolgt, handelt es sich um ein reversibles Wandlungsprinzip.

 

 

Wird eine Membran aus solchem kristallinen Werkstoff zwischen zwei Elektroden eingespannt und durch den Schalldruck angeregt, dann entsteht an den Elektroden durch die mechanische Spannung eine elektrische Spannung, die nun verstärkt werden kann. Bei einer Fläche von 2-4cm² konnte diese Spannung bei 1Pa bei ca. 10mV bis 100mV liegen. Das Problem war jedoch der hohe Ausgangswiderstand dieses Mikrofons. Er liegt bei einigen MOhm. Bei den Röhrenverstärkern war der Eingangswiderstand derart hoch, dass dieser Ausgangswiderstand kein Problem war.

Da hier nur eine schwingende Membran mit niedriger Masse und linearem Wandlungsprinzip als elektroakustischer Wandler vorhanden war, ergab sich eine Klangwiedergabe von hoher Güte. Wurde nun umgekehrt an die beiden Elektroden eine Wechselspannung angelegt, so begann die Membran zu schwingen. Auch diese Wandlung war linear. Die Masse des gesamten Wandlungssystems ist gering und es treten kaum zeitliche Probleme auf. Somit ergab sich ebenfalls bei der Wiedergabe eine hohe Klanggüte. Aus diesem Grunde hatten die Taschengeräte mit Kristallmikrofon und Kristallhörer einen Klang, der von modernen Hörgeräten nicht erreicht wird.

Der hohe Ausgangswiderstand der Mikrofone und die hohe Wechselspannung des Hörers haben aber den Einsatz dieser Wandler bei modernen Hörgeräten unmöglich gemacht. Der differentielle Eingangswiderstand von Transistoren liegt bei einigen hundert Ohm, die Versorgungsspannung moderner Geräte liegt bei 1.3V. Damit ging die Zeit der Kristallwandler zu Ende.

Das Keramische Mikrofon hatte jedoch eine kurze Blütezeit. Es ist im Prinzip ein Kristallmikrofon. Wie der Name "Keramik" besagt, wird bei dieser Technologie der Kristallwerkstoff zu Staub zermalen und dieses Pulver unter hohem Druck und hoher Hitze in einem Werkzeug zu einer bestimmten Form gepresst. Dieser keramische Kristall hat dann die gleichen Eigenschaften wie eine geschliffene Kristallmembran. Der Vorteil liegt darin, dass die Herstellung beliebig kostengünstig erfolgt. Diese Technologie wird bei jedem Piezo-Feuerzeug angewand.

Der Nachteil des hohen Ausgangswiderstandes konnte durch einen Impedanzwandler, bestehend aus einem Feldeffekttransistor in Sourcefollower-Schaltung ("Stromverstärker"), ausgeglichen werden.

 

Eine Membran übertrug über einen Treibstift den Schalldruck auf einen Keramikstab. Er war in einer mechanischen Halterung eingeklemmt. An den Übergangsstellen, wo die mechanischen Spannungen am höchsten waren, wurde die elektrische Spannung abgegriffen und auf den Impedanzwandler übertragen.

Der Klang der Geräte die, diese Keramik-Mikrofone verwandten war phänomenal, zumal bis dahin elektromagnetische Mikrofone mit erheblichen Verzerrungen verwendet wurden.

Jedoch folgte der Entwicklung der keramischen Mikrofone unmittelbar die Elektretmikrofone. Bei diesen Mikrofonen ist die schwingende Masse auf die Membran beschränkt und somit ist bei diesen Mikrofonen der Frequenzgang ungleich linearer. Auch sind diese Mikrofone störunanfälliger.

Allerdings kann es durchaus sein, dass Keramikwandler bei den Hörern noch einmal eine Rolle spielen werden. Bei Mittelohrimplantaten wurden sie schon eingesetzt:

 

Bei diesen Mittelohrimplantaten wird ein Piezowandler so implantiert, dass ein Treibstift an definierter Stelle auf die Ossikelkette gesetzt wird. Der Treibstift wird durch einen Piezowandler angetrieben. Dieses Prinzip funktioniert so gut, weil die Auslenkungen durch die Hebelwirkung der Ossikelkette sehr gering sein können.

 

Der Aufbau des Antriebsystems sieht so aus: Ein Piezokristall wirkt auf einen Biegeschwinger und dieser steuert den Treibstift an. Das ganze hat Abmessungen von weniger als 5mm.

Da Piezo-Schwinger nach linearem Übertragungsprinzip wirken und eine geringe Masse haben, ist es denkbar, dass hier Lösungen gefunden werden, die den elektromagnetischen Hörer ersetzen könnten.