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Vorrichtung zur Sehallwiedergabe.
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Eigenschwingungen der Membran innerhalb des Bereiches der hörbaren Frequenzen. Diese Membranen werden häufig so angeordnet, dass ihre Eigenschwingungsfrequenz oberhalb des Bereiches der hörbaren Schwingungszahlen liegt.
Eine bessere Schallwiedergabe wird gemäss der Erfindung erzielt, indem man der Membran eine Anordnung gibt, bei welcher ihre Eigenschwingungszahl sehr tief innerhalb des Bereiches
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Membran zweckmässig unter die niedrigste belangreiche Schwingungszahl verlegt, heispielsweise unter 100 Schwingungen pro Sekunde. Es werden indessen auch etwas höhere Eigen- schwingungszahlen. etwa zwischen 100 und 200 Schwingungen pro Sekunde erzielt. Steigt jedoch die Eigenschwingungszahl der Membran über 200, so wird die Schallwiedergabe sehr rasch verschlechtert.
Da die Erzielung einer genügend kleinen rückführenden Kraft, um eine entsprechend
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sich bei der gewöhnlichen elektromagnetischen Betätigung aber infolge der Randbefestigung und der Nähe der Membran zu den Polschuhen als unmöglich erweist, ist das Anwendungsgebiet der vorliegenden Erfindung auf elektrodynamisch betätigte Vorrichtungen beschränkt.
Das Wesen der Erfindung wird am besten an der Hand der Zeichnungen erfasst werden. in denen die Fig. 1 Schaulinien zeigt, welche die Beziehung zwischen Schwingungsweite und Schwingungszahl von Membranen von verschiedenen mechanischen Merkmalen veranschaulichen.
Fig. 2 ist eine Seitenansicht, zum Teil Schnitt einer Ausführungsform der Vorrichtung gemäss der Erfindung. Fig. 3 ist ein Schnitt einer Abänderung, Fig. 4 ist eine Endansicht der Vorrichtung nach Fig. 3 und veranschaulicht die Aufhängung der Membran, Fig. 5 ist eine Ansicht der Vorrichtung nach Fig. 3 und 4 mit einem daran angebrachten Schalltrichter von bevorzugten Ausführungen.
Die unnatürliche Klangfarbe der bisherigen Lautsprecher rührt im allgemeinen davon her, dass im Tonbereich der menschlichen Stimme Resonanzen auftreten und die Lautsprecher tiefe Töne nur unzulänglich aussenden. Die besten der gegenwärtig im Gebrauch stehenden Mikrophone oder Empfänger arbeiten im ganzen Bereich der Tonfrequenzen mit angenähert gleicher Wirksamkeit. Um daher eine treue Wiedergabe der einlangenden Schallwellen zu erreichen, sollte der Lautsprecher einen gleichen Wirkungsgrad für alle Sehwingungszahlen im gesamten Wirkungsbereich aufweisen. Um dies zu erreichen, muss die Weite der Membranschwingungen bei Speisung der Vorrichtung mit Strömen von gleichem Scheitelwert der Stromstärke aber verschiedener Frequenz einem gewissen Gesetz mit Rücksicht auf die Frequenz folgen.
Dieses Gesetz ist für grosse Membranen verschieden von jenem für kleine Membranen.
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zahl verhalten. Bei Membranen, die im Verhältnis zur kleinsten Wellenlänge klein sind. so dass sie praktisch als punktförmige Schall quellen -angesehen werden können, muss die Schwingungweite verkehrt proportional sein dem Quadrat der Schwingungszahl, um gleiche Schallstärke bei verschiedenen Frequenzen zu erzielen. Diesem Fall kommen sehr nahe die Bedingungen. unter welchen die Membran eines gewöhnlichen Lautsprechers arbeitet und diese Bedingungen werden im vorliegenden Falle besonders in Betracht gezogen.
Die Schaulinie A Fig. 1 zeigt die Amplitude, welche für die gleiche Schallaussendung für verschiedene Schwingungszahlen erforderlich ist. Die Ordinaten dieser Kurve stellen du* Membranamplituden in willkürlichem Massstab dar und die Abscissen die Schwingungszahlen.
Die Schaulinie B zeigt die Amplitude der gewöhnlichen Lautsprechermembran. Die Grundresonanz tritt bei 500 vollen Schwingungen ein, was ziemlich nahe der Mitte des Schwingungzahlbereiches der gewöhnlichen Stimme liegt. Bei der Ermittlung der Ordinaten der Schaulinie B wurde angenommen, dass die auf die Membran wirkende, Schwingungen erregende Kraft für alle dargestellten Frequenzen dieselbe ist. Die Schaulinie C zeigt die Schwingungsweiten einer Membran mit einer Grundresonanz, die bei einer Schwingungszahl eintritt, welche unter
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und rück-führender Kraft (d. i. wenn die Membran sich selbst überlassen ist) würde die, die Schwingungsweite der Membran angebende Schaulinie mit der Schaulinie A vollständig übereinstimmen.
Da aber die Dämpfung die Schaulinie in der Nähe des Resonanzpunktes herabzudrücken sucht und die rückführende Kraft sie über die Schaulinie A hinaus nach oben zu rücken sucht, so kann man durch Regelung der Dämpfung und der rückführenden Kraft dahin gelangen, dass die Schwingungsweite der Membran der Schaulinie A über den ganzen Arbeitsbereich sehr nahe folgt. Aus einem Vergleich der Schaulinien A und B ergibt sich, dass jede Membran, deren Eigenschwingungszahl innerhalb des Betriebsbereiches liegt, bei Schwingungzahlen, die erheblich unter der Resonanzschwingungszahl liegen, im Vergleich mit der Schallstärke bei der Resonanzschwingungszahl und bei höheren Schwingungzahlen nur schwache Schalläusserungen hervorrufen.
Um daher einen Lautsprecher mit kleiner Membran zu bauen, der die tiefen Töne im richtigen Verhältnis wiedergibt, muss die Membranbewegung entweder bloss der Trägheit folgen. oder, wenn eine elastische Rückführungskraft vorhanden ist, so muss sie im Vergleich zur Masse der Membran so klein sein, dass die Resonanz bei einer Schwingungszahl eintritt, die kleiner ist, als die für die Sehallwiedergabe wichtigen Schwingungszahlen. Dieser Bedingung könnte genügt werden, indem man die Membran schwer oder die rückführendc Kraft Idein macht. Ist die Membran schwer, so wird die Empfindlichkeit der Vorrichtung sehr stark verringert. Es ist deshalb nötig, miL einer kleinen rückführenden Kraft zu arbeiten.
Es ist bisher unmöglich, eine kleine rückführende Kraft bei der gewöhnlichen elektromagnetischen Betätigung in Anwendung zu bringen, bei welcher ein Eisenanker dicht vor den Polen eines oder mehrerer polarisierter Elektromagnete schwingt, da eine ansehnliche elastische ruckführende Kraft nötig ist, um ein Festhaften des Ankers an den Polschuhen hintanzuhalten.
Eine Art des elektromagnetischen Antriebes, welche mit kleinen rückführenden Kräften zu arbeiten gestattet, ist jene, bei welcher bekannterweise eine Spule sich in einem konstanten magnetischen Feld bewegt und scheint sich für die Konstruktion von Lautsprechern bestens zu eignen. Bei dieser Betätigung sucht keine Kraft, die Membran aus ihrer Mittellage zu verschieben, ausser der die Richtung wechselnden Kraft, welche die Schwingungen veranlasst und es ist keine elastische rückführende Kraft nötig, ausser derjenigen, die zum Tragen des Gewichtes der Membran nötig ist. Aus diesen Gründen kann erfindungsgemäss die Schwingungszahl der Grundresonanz beliebig niedrig bzw. niedriger als die belangreiche niedrigste Schwingungszahl der Stimme gehalten werden, z.
B. bei 30-40 vollen Schwingungen ; über den ganzen praktischen Arbeitsbereich kann die Bewegung der Membran einfach durch die Trägheit der letzteren und die Kraft bestimmt werden, welche sie in Schwingungen zu versetzen sucht und proportional ist dem durch die Stimme hervorgerufenen Strom. Fig. 2 zeigt eine Bauart, durch welche der oben dargelegte Grundgedanke verwirklicht werden kann. Die wesentlichen Bestandteile sind die Membran 1 und die bewegliche Spule 2, die in dem Luftspalt zwischen den zwei konzentrischen Polschuhen 3 und 4 aufgehängt ist. Diese können die Polschuhe eines Dauermagneten
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inneren Polschuh umgebenden Spule 5 zugeführt wird. Die Spule 2 ist an einem Ring befestigt, der seinerseits an der Membran 1 befestigt ist. Ein starrer Stützring 7 ist an dem äusseren Polschuh 4 befestigt.
Ein Ring 8 aus Kautschuk oder anderem biegsamen Material ist am Ring 7 und am Umfang der Membran 1 befestigt. Die betätigenden Ströme können in der Spule 2 entweder durch Leitung oder Induktion hervorgerufen werden.
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Es genügt nicht, eine Membran so zu bauen, dass ihre Eingenschwingungszahl unter dem Bereich der Betriebsschwingungszahlen liegt, sondern auch der erste Oberton oder höhere Partial-Eigenschwingungszahlen müssen, oberhalb der Schwingungszahlen des Betriebsbereiches liegen, wenn eine gleichmässige Schallaussendung erreicht werden soll. Eine ebene kreisförmige Platte hat eine Anzahl von Obertonschwingungsknotenlinien mit aufeinanderfolgenden Zahlen von kreisförmigen Knotenlinien.
Anders gestaltete Membranen können in verschiedener Weise
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Schwingungszahl gross genug wird, dass Membranteile in Schwingungen dieser Art geraten. so wirkt die Membrane nicht mehr als einfacher Kolben. sondern Teile derselben bewegen sich in entgegengesetzten Richtungen und die resultierende Bewegung der arbeitenden Membranoberfläche kann viel grösser oder kleiner sein als in dem Falle. wo die Membran als starrer Kolben wirkt.
Wenn die bewegende Kraft über einen Kreis verteilt ist, wie es bei der Betätigung der beweglichen Spule möglich und in Fig. 2 angedeutet ist. so wird die erste Resonanz oder die Schwingungszahl. bei welcher die Membran aufhört als starrer Kolben zu wirken. infolge der grösseren Starrheit der Membrane höher ausfallen und die Resonanz wird schwächer ausgeprägt sein als in dem Falle, wo die betätigende Kraft im Mittelpunkt der Membrane oder in der Nähe derselben konzentriert ist. Um solche Resonanzen zu vermeiden, sollte daher die Membran möglichst starr sein und gleichzeitig sollte sie aus andern Gründen mög- lichst leicht sein.
Die in Fig. 2 dargestellte Form, die erfindungsgemiiss im allgemeinen zwei einander schneidenden konaxialen Kegelflächen gleicht, erweist sich als besonders zweckmässig, da es möglich ist, eine Membran dieser Form sehr leicht und zugleich sehr steif zu machen. Eine Membran dieser Form ist viel steifer als eine einfache konische Membran vom gleichen Durchmesser und Höhe.
Eine weitere Bedingung, die für das befriedigende Arbeiten eines Lautsprechers wesentlich ist, besteht in der Vermeidung von resonierenden Luftkammern an der Membran. Wenn beispielsweise der Raum hinter der Membran vollständig geschlossen ist, so wird bei einer gewissen Schwingungszahl die eingeschlossene Luft eine rückführende elastische Kraft auf die Membran ausüben, die eine starke Resonanz hervorruft. Bei andern Schwingungszahlen wird diese Luft den Membranschwingungen derart entgegenwirken, dass die Schwingungsweite sein' verringert wird. ähnliche Wirkungen treten bei teilweise geschlossenen Lufträumen hinter der Membran ein.
Um Schwierigkeiten dieser Art zu vermeiden, kann man für Dämpfung durch in den Lufträumen untergebrachtes, Energie absorbierendes Material sorgen. Zweckmässiger ist es jedoch, diese Lufträume so zu bemessen, dass die Schwingungszahl ihrer Grundresonanz so hoch ist. dass sie praktisch ausserhalb des Bereiches der Betriebsschwingungszahlen liegen.
Die erssndungsgemässe Anordnung von angemessenen Luftlöchern in den Lufträumen hinter der Membran stellen sich als die befriedigendste Lösung dar, da damit die Resonanz. schwingungszahl steigt und zugleich die Resonanz minder ausgesprochen wird.
Bei der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform erkennt man, dass, weil der Luftspalt zwischen den Polen 3 und 4 sehr eng sein muss, um die kräftigste Wirkung zu erzielen. der Raum zwischen der Membran 1 und dem inneren Pol 3 fast vollständig geschlossen ist : er kann durch Löcher 9 im Ring 6 mit der Aussenluft m Verbindung stehen. Der Zentrierring 10, der die beiden Pole 3 und 4 in der richtigen gegenseitigen Lage hält, kann, wie bei 11 gezeigt, ausgeschnitten sein, damit die Luft zwischen dem Ring 6 und dem Polschuh 3 leichter abströmen kann.
Bei der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform kann ein Schalltrichter von geeigneter Gestalt verwendet werden. Statt eines Schalltrichters kann indessen eine Ablenkplatte-2, wie angedeutet, verwendet werden, deren Oberfläche so bemessen ist, dass die Bahn, längs welcher Luft von der Vorderseite zur Rückseite der Membran gelangen kann, mindestens dieselbe Länge hat, wie die auszusendende Schallwelle. Die Platte ist aus hinreichend starrem oder schwerem, nicht resonierenden Material herzustellen.
In Fig. 3, 4 und 5 ist eine Abänderung dargestellt, welche insbesondere für die Verwendung mit Schalltrichtern geeignet ist. In diesem Falle hat der Kern 3 eine Längsbohrung J3, durch welche der Schall ausgesendet wird. In diese Bohrung 13 ist der Schall- trichter eingesetzt. Die Membran /J hat nach der Zeichnung eine paraboloidische Gestalt, welche die wünschenswerte Steifigkeit bei geringer Masse sichert. Die betätigende Spule 2 ist am Rand der Membran Ja durch eine Hülse 6 befestigt, ähnlich wie bei der Ausführungsform nach Fig. 2.
Die Membran 15 wird in diesem Falle durch viel'Fädpn 1U in ihrer Stellung gehalten, die am Rand derselben befestigt sind und in vier Richtungen einen zur Bewegungsrichtung der Membran senkrechten Zug ausüben. Die Spannung der Fäden kann durch Lockern der Schrauben 17 und Verschiebung der Federn geregelt werden. Strom kann der Spule, 8 von den Klemmen 18 auf einem isolierenden Ring zugeführt werden, der
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auf dem äusseren Polschuh 4 befestigt ist. Der Luftspalt zwischen den Polschuhen 3 und 4 ist in diesem Falle möglichst klein zu machen, ahne jedoch die Bewegung-der Spule 2 zu behindern, damit das Vorbeistreichen-von *, Luft am-Rand der Membran auf ein Mindestmass herbgedrückt wird.
Eine Kappe 19 aus nicht magnetischem Material ist am, Ende. des Pol- schuhes µ. befestigt und verringert das Volumen des Luftraumes an der Eintrittsstelle der Bohrung, um die akustischen Eigenschaften der Vorrichtung zu verbessern. Wenn : gewiìnscht, kann eine ähnliche Kappe auch bei der Ausführungsfarm nach Fig.-2 verwendet werden, um den Luftraum hinter der Membran zu verringern und dadurch die Resonanzschwingungszahl in diesem. Raum zu vergrössern.
Bei der vorstehend beschriebenen Ausführungsform des Lautsprechers ist ein kräftiges magnetisches. Feld erforderlich und dieses-macht die Zuführung eines ziemlich starken Stromes zu den Erregungsspulen notwendig. In manchen Fällen kann es erwünscht sein, das Feld
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Strom sein wird, während das magnetische Feld im Luftspalt praktisch-konstant Bein muss, um Modulationen der vom Lautsprecher erzeugten Töne und die Entstehung von Strömen und Tönen zu verhüten, deren Frequenzen bzw. Schwingungszahlen das Vielfache der Frequenz des dem Gleichrichter zugeführten Stromes sind. Diese-Schwierigkeit : kann dadurch beseitigt werden, dass man das Ende 20 der Feldspule als kurz geschlossene Windung von sehr geringem Widerstand ausführt, beispielsweise als einen-starken Kupferring.
Dieser wirkt als kurzgeschlossene Windung für den veränderlichen-der Spule zugeführten Strom-und verringert die PuJsationen des magnetischen Feldes in hohem. Masse. Die kurzgeschlossene Windung soll möglichst dicht. am Luftspalt liegen und braucht nicht notwendig den Spulenkopf zu bilden ; ein Zwischenraum zwischen der Spule und der kurz geschlossenen. Windung würde vielmehr zur weiteren Abschwächung der Ptlsa. tianen beitragen, indem. dadurch die Induktanz der Wicklung erhöht und so der Strom vergleichmässigt wird.
Eine solche Anordnung würde jedoch die Abmessungen der Vorrichtung unnötig vergrössern, da die in-der Zeichnung dargestellte Anordnung sich als sehr vorteilhaft erwiesen hat. Anderseils-sollte der Spulenkopf an dem vom Luftspalt abgekehrten Ende der Spule nicht als kurzgeschlossene Windung ausgeführt sein. Dieser Spulenkopf sollte aus Eisen oder. auch einem nicht leitenden Material bestehen, um eine möglichst grosse Koppelung mit der Wicklung und dadurch eine hohe Induktanz zu erzielen.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Vorrichtung zur Schallwieclergabe mit einer starren, als Ganzes schwingenden.
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