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Zur Übertragung und Wiedergabe von Schallwellen dienende Vorrichtung.
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Gemäss vorliegender Erfindung wird vorgeschlagen, dem beweglichen Element eine derartige Elastizität oder Kombination von Elastizitäten zuzuteilen, dass die Impedanz der resultierenden Kombination über einen weiteren Frequenzbereich annähernd einem reinen mechanischen Widerstand gleichkommt, dem natürlich ein Wert gegeben werden kann, der gleich ist dem des akustischen Widerstandes des Schalltrichters. Hiedurch werden Reflektionsverluste vermieden und die Frequenzubertragungs-Charakteristik vom Empfänger zur freien Luft wird über den wesentlichen Sprechbereich erheblich verbessert.
Wenn nun ein solches mechanisch ausgeglichenes System verwendet wird, um elektrische Wellen eines elektrischen Systems, in dem ein im Ausgleich elektrischer Impedanzen von einer Vorrichtung zu einer andern vorhanden ist, in Schallwellen umzusetzen, so folgt, dass das kombinierte System von grösster und bester
Wirksamkeit ist.
Gemäss einem andern Standpunkt, von dem aus die vorliegende Erfindung betrachtet werden kann, bildet die Empfänger- und Schalltrichterkombination eine mechanische Übertragungsleitung, die Massen und Elastizitäten von vorherbestimmten Werten besitzt. Eine mechanische Übertragungsleitung kann mit einer elektrischen Übertragungsleitung verglichen werden, da eine Induktanz einer Masse, eine Kapazität dem reziproken Wert der Elastizität und ein elektrischer Widerstand dem mechanischen Widerstand entspricht.
Der mechanische und akustische Widerstand einer mechanischen Übertragungsleitung, die aus vielen oder unendlich vielen wiederkehrenden Abschnitten besteht, von denen jeder eine Reihenmasse und eine Nebenschluss-Elastizität enthält, ist für im wesentlichen unterhalb der kritischen' Frequenz liegenden Frequenzen durch die folgende Gleichung gegeben : = \/SM wobei Zo die Impedanz, M die Masse und S die Elastizität pro Abschnitt bedeutet. Die Ableitung dieser Formel findet sich im Werk electrical Vibration Instruments"von A. E. Kennedy, Kapitel 6.
Wenn man nun annimmt, dass ein Kolben durch ein elastisches, an einem Anker befestigtes Blatt betätigt wird und im kleinen Ende eines Schalltrichters angeordnet ist, so bildet die resultierende mechanische Übertragungsleitung in ihrem ersten Abschnitt eine Reihenmasse (die Masse des Ankers) und eine Nebenschlusselastizität (die Elastizität des Blattes). Der zweite Abschnitt umfasst eine Reihenmasse (die Masse des Kolbens) und muss ein spezielles Mittel vorgesehen sein, um eine Nebenschlusselastizität für den zweiten Abschnitt zu erlangen. Dies kann dadurch geschehen, dass eine Luftkammer von geeigneter Grösse um das kleine Trichterende herum vorgesehen wird, wodurch diese gewünschte Elastizität für den zweiten Abschnitt geschaffen ist.
Wenn nun diese zwei Abschnitte mit einem mechanischen Netz (Ausgleichsnetz) gekuppelt werden, das eine mechanische Impedanz besitzt, die gleich ist der mechanischen Impedanz einer aus einer unendlichen Anzahl voller Abschnitte bestehenden Übertragungslinie, so wird die Impedanz des kombinierten Netzes und der zwei erwähnten Abschnitte nahezu gleich sein der Impedanz einer Leitung, die aus unendlich vielen dieser Abschnitte besteht. Dieses mechanische Endnetz muss vorteilhaft mit einem in der Nebenschlussmitte anliegenden Abschnitt gekuppelt werden, der ein solcher sein wird, der die zweifache Elastizität eines vollen Abschnittes besitzt. Ein solches Endnetz kann einen Schalltrichter umfassen, der im wesentlichen konstante Impedanz für die in Betracht gezogene Frequenzreihe besitzt.
Der erste Abschnitt, d. h. der Anker und das Blatt, kann einen solchen Abschnitt bilden, der in der Reihenmitte oder in der Nebenschlussmitte endigt, da diese Endstellen zuweilen vom Standpunkt einer konstanten Impedanz für die Vollreihen-oder Vollnebensehlussbeendigung vorteilhaft sind. Unter Beendigung in Reihen-Mitte ist zu verstehen, dass die Masse des Ankers die Hälfte der Masse des Kolbens beträgt, unter Beendigung in Nebenschluss nitte, dass die Elastizität des Blattes doppelt so gross ist als jene der Luftkammer. Beendigungen an anderen Teilstellen können in manchen Fällen ebenfalls erwünscht sein. Die gleichen Erwägungen gelten auch für den Fall, als ausser dem Schalltrichter bloss ein einziger Abschnitt vorhanden ist, wie z. B. wenn das Blatt und der Anker weggelassen werden würden.
Fig. 1 der Zeichnungen stellt die Grundtype eines Telephonempfängers und Fig. 3 das Diagramm der mechanischen Impedanz des Systems nach Fig. 1 dar. Fig. 3 zeigt logarithmische Kurven, die die Frequenzcharakteristik des Systems nach Fig. 1 darstellen. Fig. 4 veranschaulicht eine elektrisch belastete Linie und Fig. 5 die logarithmische Frequenzübertragungskurve des Systems, welnh. s nach Fig. 1 abgeändert werden kann, um die Erfindung zu verkörpern. Fig. 6, zeigt wie das System nach Fig. 1 abzuändern ist, um die Erfindung zu verkörpern. Fig. 7 zeigt eine Abänderung des Systems nach Fig. 6, bei der ein Diaphragma (Membran) benutzt ist. Fig. 8 zeigt eine Erfindungsabänderung, bei der ein drehbarer Anker benützt ist.
Fig. 9 zeigt ein System gemäss der Erfindung, bei dem ein drehbarer Anker und ein Diaphragma benützt sind.
Fig. 1 zeigt die Grundtype eines kombinierten Empfängers und Schalltrichters, wobei der Empfänger einen Kolben 20 enthält, der in das enge oder kleine Ende eines Schalltrichters 21 hineinwirkt und in
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der andern abgelenkt, da er, wie angenommen wird, aus mchtmagnetischem Material besteht und erst dann in Schwingung gerät, wenn ein magnetisches Feld durch Ströme in der Spule ?. erzeugt wird. welches
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das Feld des Dauermagneten 23 unterstützt oder ihm entgegenwirkt, Ein derartiger Empfänger besitzt keine Elastizität, da angenommen wird, dass der Kolben 2C aus starrem Material besteht, und da kein elastisches Mittel, wie z.
B. eine Feder, benutzt wird,-um den Kolben in die eine oder andere Ausschlag- stelinng zu bringen. Der beim Empfang zu überwindende Widerstand eines solchen Empfängers (Fig. l) besteht daher einfach aus dem Beschleunigungswiderstard einer Masse, durch deren Schwingungen der Widerstand des Schalltrichters überwunden wird, welcher, wie angenommen von der Frequenz nicht
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sichtlich ist.
Wenn die Reaktanz (Beschleunigungswiderstand) des Kolbens bei (j000 Perioden gleich ist dem Widerstand des Trichters, so ist die Frequenztibertragungs-Charakteristik ähnlieh jener der
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Kurve ähnlich der Kurve-30 ist. Diese Kurven haben die verschiedenen Frequenzwerte als Abszissen und die Er. ergiabgake an den Schalltrichter als Ordinaten, wobei angenommen ist, dass eine konstante Kraft
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Linie darstellen, so deutet dies darauf hin, dass ein Energieaustausch zwischen Empfänger und Schalltrichter für die betreffenden Frequenzen nicht vorhanden ist.
Es ist jedoch in der Elektrotechnik bekannt, dass, wenn eine künstliche Linie oder ein Ausgleichsnetz aus einer Anzahl von Abschnitten zusammengesetzt wird und jeder Abschnitt eine Reiheninduktanz und eine Nebenschusskapazität enthält, den Kapazitäten und Induktanzen solche Werte gegeben werden können, dass das resultierende Netz eine wesentlich konstante Impedanz über einen weiten Frequenzbereich hat, der beispielsweise zu dem Bereich der beim Sprechen auftretenden Frequenzen gemacht werden kann.
Da in der Mechanik Massen die Äquivalente von Induktanzen sind und das Reziproke der Elastizität das Äquivalent der Kapazität ist, so folgt, dass, wenn die Kupplung des Empfängers mit dem Schalltrichter annähernd einer mechanischen Übertragungslinie, die aus einer Anzahl von Reihen- induktanzen und Nebenschlusskapazitäten, besteht, gleichgemacht wird, diese Kupplung konstruiert
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Fig.
4 stellt das elektrische Äquivalent einer solchen mechanischen Übertragungslinie dar, wobei 31 einen Generator oder eine andere Kraftquelle darstellt, während 32, 33, 34, 35 Reiheninduktanzen oder
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bekannt, hat ein solcher elektrischer Stromkreis, wenn er tatsächlich unendliche Länge besitzt oder in Reihenmitte mit seiner Schwebungsimpedanz endigt, eine im wesentlichen konstante Impedanzcharakteristik mit Frequenz über einen weiten Frequenzbereich, d. h. sie hat nahezu konstanten Wert bis zu einer Freqrenz von ungefähr # der kritischen Frequenz; die Kurve 39 (Fig. 5) stellt die Impedanzcha. rak- teristik dar, die durch eine mechanische Übertragungslinie erhalten werden kann, die Massen und Elastizität mit einer Antriebskraft gekuppelt enthält, wie in Fig. 4 dargestellt ist.
Wie auch ersichtlich, stellt die Kurve 39 ungefähr eine gerade, zur horizontalen Achse parallele Linie bis zu jener Stelle dar, bei welcher ungefähr # der kritischen Frequenz erreicht ist.
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elastizität von solchem We t vorgesehen wird, dass im Zusammenhalt mit der Masse des Kolbens die mechanische Schwebungsimpedanz der Kombination, d. h. der gesammte Widerstand, den der schwingende Kolben durch seinen Beschlennigungswiderstand und die Luftkammer durch den Widerstand der komprimierten Luft hervorbringt, wesentlich konstant ist mit der veränderlichen Frequenz und gleich ist der Impedanz des angeschlosenen Schalltrichiers.
Dei Dauermage\net 40 ist von einer Spule 41 um-
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trichters 44 ist eine kleine Luftkammer 45 vorgesehen, in die ein Teil der durch den Kolben zusammengedrückten Luft entweichen kann, wenn der Kolben vom Magneten 40 wegbewegt wird und aus welcher zusätzliche Luft strömen kann, wenn der Kolben 42 in entgegengesetzter Richtung bewegt wird. Diese zusätzliche Luftkammer 45 dient daher als Nebenschlusselastizität, d. h. die Luftkammer liefert die zur Schwingung des Kolbens nötige Direktionskraft, ebenso wie eine Nebenschlusskapazität in einem elektrischen System, und der Rauminhalt dieser Luftkammer kann leicht eingestellt werden, um die gewünscht Elastiztät für irgendeine spezielle Kolbenmasse und für einen speziellen Schalltrichter zu erlangen.
Fig. 7 zeigt ein Empfängerelement mit einem Diaphragma 56, das in das enge Ende eines Schall- trichters 57 hineinwirkt. Das Diaphragma kann in geeigneter Weise durch einen Elektromagneten 60
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Eine andere mögliche Abänderung des Empfängersystems nach Fig. l besteht darin, dass der Kolben durch ein drehbares Organ betätigt wird, der sowohl Elastizität und Masse besitzt. Eine beispielsweise Ausführung zeigt Fig. 8, bei der der Kolben 72 mit dem einen Ende eines drehbaren Ankers 73 verbunden ist, der an einem Blatt 86 wie bei grundlegenden Telephonempfängern üblich angebracht ist. Dieses Blatt kann in bekannter Weise betätigt werden, um den Kolben 72 in Übereinstimmung mit in einer eingeschlossenen Leitung auftretenden Wechselströmen in Schwingungen zu versetzen.
Der Kolben'72 wirkt in das engere Ende eines Schalltrichters 74 hinein, und wie bei der Anordnung nach Fig. 7 ist dieses engere Trichterende von einer Luftkammer 15 umgeben, um eine Nebenschlusselastizität zu schaffen, die, mit der Masse des Kolbens @ kombiniert, die gewünschte Impedanz ergibt.
Das mechanische Kupplungssystem nach Fig. 8 besteht daher aus 1 Abschnitten einer mechanischen Gesamtübertragungslinie, wie sie in Fig. 4 dargestellt ist, da zwei Abschnitte ersichtlich sind. von denen jeder eine Reiheninduktanz oder Masse und eine Nebenschlusskapazität oder Elastizität enthält.
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zudrücken.
Bei der Anordnung nach Fig. 8 soll die Schwingungsmasse des Ankers M vorteilhaft die Hälfte des Kolbens 72 betragen und das Blatt 86 soll eine Elastizität haben, die die Hälfte der zwischen dem
Kolben und Trichter vorhandenen ist. Hiedurch wird eine mechanische Übertragungslinie geschaffen, die an einem ihrer Enden in Reihenl1litte und am andern Ende in Nebenschlussmitte endigt, da die Reihen- masse des ersten Abschnittes die Hälfte der Reihenmasse des zweiten Abschnittes und die Elastizität des letzten Abschnittes zweimal so gross ist als die Elastizität eines ganzen Abschnittes. Der Sehalltrichter kann natürlich so ausgeführt sein, dass er eine Impedanz besitzt, die gleich ist jener einer unendlichen
Anzahl von vollen Abschnitten.
Wenn, wie dies oft der Fall ist, der Kolben oder die Membrane grösser ist als das dünne Ende des
Schalltrichters, so kommt zu dem bereits in Betracht gezogenen Problem noch ein Transformatorproblem.
Fig. 14 zeigt eine solche Anordnung, bei der der Kolben 81 in einen Schalltrichter hineinwirkt, dessen engeres Ende einen viel kleineren Durchmesser besitzt als der Kolben. Wie im vorhergehenden Fall wird eine geeignete Luftkammer 3 benutzt, um den Kolben mit dem engeren Ende des Schalltriehters 82 zu kLppeln. Der Kolben 81 wird beispielsweise durch einen Drehanker 84 betätigt, der Masse besitzt, wobei ein Elastizität besitzendes Blatt 85 zwischen Anker und Kolben angeordnet ist.
Im System nach
Fig. 9 ist eine Transformatorwirkung vorhanden, da der Kolben 81 und der Schalltrichter verschiedene
Querschnitte besitzen und beide in die gleiche Kammer hineinwirken. Zwecks freier Übertragung von
Energie durch diese Li. ftkammer 83 muss das Quadrat der auf den Kolben wirkenden Kraft, geteilt durch die Schwebungsimpedanz seiner mechanischen Gesamtübertragungslinie, gleich sein dem Quadrat der in denSehalltrichter hineinwirkenden Kraft, geteilt durch die Trichterimpedanz, Wenn die Luftkammer von kleinem Durchmesser ist, so erlangt man genügende Genauigkeit, wenn man annimmt, dass der Druck in der ganzen Kammer der gleiche ist und dass die Kräfte des Kolbens und des Schalltrichters ihren Flächen proportional sind.
Die Bedingung für die freie Energieübertragung kann man sodann durch folgende
Gleichung ausdrücken :
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Querschnittfläche des engen Schalltrichterendes und Z2 die Impedanz des Schalltrichters bedeuten.
Der Grund, warum das Diaphragma grösser als die Trichteröffnung gemacht wird, liegt darin, dass es schwierig ist, in anderer Weise Impedanzen auszrgleichen bzw. aneinanderzupassen, u. zw. wegen der hohen spezifischen Dichte des Diaphragmamaterials im Vergleich zur Dichte der Luft. Dies zeigt sich klar beim Berechnen von Teilen und Kammern, um sie einem vorbildlichen Schalltrichter anzupassen.
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den Schalltrichter, wie dies beim System nach Fig. 8 der Fall ist, angegeben.
Die erste Stufe ist die Berechung der Schalltrichterimpedanz. Wenn angenommen wird, dass der Trichter eine we entlich logvriihmisch verlaufende Begrenzung mit einem Ausmündungs- durchmesser von 22", einem Durchmerer von C-S9G"im dünnen Trichterende und eine Länge von 38"hat, so ist die Impedanz über die übliche Frequenzreihe :
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wobei Z2 die Impedanz der Trichters und A2 die Fläche des engen Tricterendes, diein dem angenommenen
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angenommen.
Die Gleichung (I) kann man auch so sehreiben :
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Nach Einsetzen der gegebenen Werte erhält man als richtigen Wert von il four das Kolbensystem 5670 Dyn pro Zentimeter pro Sekunde.
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Frequenz und Masse wie in Fig. 8 ersichtlich ist :
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Hieraus ergibt sich
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eingesetzt wird, so erhält man 0'296 g als Wert der Masse M. In den obigen Gleichungen ist M die Gesamtmasse für einen vollen Abschnitt und S die Elastizität für einen vollen Abschnitt.
Der nächste Schritt ist die Prüfung dieses Wertes von M, um festzustellejn, ob ein Kolben mit dieser Masse gebaut werden kann. Wenn die Dichte de3 Kolben mit 1 angenommen wird. so würde die Dicke T gleich sein :
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Die vierte Stufe ist die Berechnung der Dicke der Luftkammer zwischen Kolben und Schalltrichter.
Die Elastizität, die die, e Kammer haben soll, soll zweimal so gross sein als die aus der Formel
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berechnete. In dieser Gleichung sind 9 und 31 die Elastizität und Masse, wie in den Fig. 3 und 4 dargestellt. Dies ist der Grund, warum gewünscht wird, eine Beendigung in Nebenschlussmitte beim Schall-
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Elastizität 81 einen Wert, der zweimal so gross ist als jener des Blattes zwischen Kolben und Anker, da gewünscht wird, dass der Kolben und die angeschlossene Elastizität durch einen in Nebensehlussmitte befindlichen Abschnitt endigen.
Werden die obigen gegebenen Werte in Gleichung (IV) eingesetzt, so erhält man : $1 = 1#18 # 2 #2 # 6002.
Dies ergibt für 81 den Wert 8-4 X 108 dyn pro Zentimeter.
Die erforderliche Elastizität pro Flächeneinheit ist
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Die Elastizität der Luft pro Qudratzentimeter ist 1#5 # 106 Dyn : daher ist die erforderliche Tiefe cl der Luft- kammer
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der spezielle vorher aufgerechnete Wert der Luftkammer tiefer ist so klein, dass e3 im allgemeinen als erwünscht erachtet wird, den Schallweg in den Trichter hinein zu krümmen, um die Bildung von Wirbeln zufolge plötzlicher Änderungen im Luftweg zu verhindern.
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Reihen-Mitte-Beendigung, die vielleicht am meisten erwünscht ist, soll die Masse de Ankers die Hälfte jener des Kolbens oder O' 92 g betragen.
Der Punkt, bei dem der Anker mit dem Kolben gekuppelt ist und welcher einen Abstand L von der
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gefunden werden.
'Durch Auflösung und Einsetzen der oben gegebenen Werte ergibt sich
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