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E ! ektro-akustische Umwandhmgsvorrichttuigeny wie Lautspreeher u. dgl.
Die Erfindung bezieht sich auf elektro-akustische Umwandlungsvorrichtungen, wie Lautsprecher od dgl. und hat sich zur Hauptaufgabe gestellt, eine elektroakustische Vorrichtung zu schaffen, die über einen grösseren Frequenzbereich und hauptsächlich auf höhere Frequenzen als bisher praktisch möglich war, hinreichend anspricht.
Um hohen Wirkungsgrad und Gleichförmigkeit beim Ansprechen von Lautsprechern bei höheren Frequenzen aufrecht zu erhalten, ist es notwendig, dass die Massenreaktanz des ausstrahlenden Elementes, der Membran od. dgl., im Verhältnis zum Ausstrahlungswiderstand klein ist. Die Massenreaktanz absorbiert oder verbraucht die Schallenergie nicht selbst, sondern vermindert die Schwingungsgeschwindigkeit und verringert dadurch die ausgestrahlte Energie auf einen Wert, der kleiner ist als durch die Verluste in der Schwingungskraftquelle bedingt. Aus diesem Grunde haben Lautsprecher, welche eine grosse frei ausstrahlende Membran verwenden, im allgemeinen besonders bei den höheren Sprech-oder Musikfrequenzen einen niederen Wirkungsgrad.
Die Verwendung eines Verstärkerhornes gestattet es, das Schwingungssystem des Lautsprechers klein und leicht zu machen, und ermöglicht, einen hohen Wirkungsgrad über einen grossen Frequenzbereich zu erreichen. In diesem Falle ist es jedoch unvermeidlich, dass zwischen der Membran und dem Horn eine Luftkammer eingeschaltet ist, welche als ein elastisches Kopplungselement wirkt und dahin strebt, die Hochfrequenzschwingungen zu absorbieren, bevor sie den Hals des Hornes erreichen. Um diesen Effekt auszuschalten, kann man das Volumen der Luftkammer durch Verkleinern der Kammertiefe vermindern, aber das Ausmass, bis zu welchem eine Verbesserung auf diese Art erreicht wird, ist begrenzt, wenn man bedenkt, dass die Kammer tief genug sein muss, um der Membran unter der maximalen Empfangsenergie ein freies Schwingen zu gestatten.
Andere Faktoren, welche dahin wirken, den Frequenzbereich des gleichmässigen Ansprechens zu beschränken, sind erstens die Tendenz der Membran bei hohen Frequenzen "abzubrechen", wobei verschiedene Partien in entgegengesetzten Phasen schwingen, und zweitens, im Falle von Hornlautsprechern, die Bildung von stillstehenden Luftwellen in der Luftkammer, wenn die Schallwellenlänge kürzer ist als der Membrandurchmesser. Diese Wirkungen bringen Unregelmässigkeiten im Ansprechen mit sich, welche Resonanzeharakter haben, wobei gewisse Frequenzen unangemessen verstärkt und andere Frequenzen fast vollständig unterdrückt werden.
Zufolge dieser Beschränkungen war es praktisch nicht möglich, in einer einzelnen Einheit eine Vorrichtung zu konstruieren, welche geeignet ist, von den niedersten Sprechfrequenzen bis zu einer Frequenz höher als ungefähr 5000 Hertz gleichmässig anzusprechen, wogegen für eine getreue Wiedergabe Frequenzen bis 10000 Hertz wiedergegeben werden sollten. Die Gegenwart dieses höheren Bereiches verleiht der wiedergegebenen Sprache einen sehr hohen Grad an Natürlichkeit, wobei die Frequenzen über 5000 Hertz die Wirkung hervorrufen, die niederen Resonanzqualitäten, welche die Wiedergabe von gewöhnlichen Lautsprechern kennzeichnet, zu beseitigen.
Gemäss der vorliegenden Erfindung ist bei einer elektroakustischen Umwandlungsvorrichtung, wie ein lautsprechendes Telephon od. dgl., welche einen im wesentlichen starren, beweglichen Teil und dieser eine elastisch gestützte, mit einer Luftkammer und einem daran anschliessenden Horn (Trichter) zusammen arbeitende Membran enthält, der bewegliche Teil, dessen elastische Unterstützung, die Grösse der Luftkammer und die Öffnungsfläche der Luftkammer in das Horn im Verhältnis zueinander so
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bemessen, dass die akustische, durch das Horn aufgedruckte Belastung im wesentlichen zahlenmässig gleich ist der Massenreaktanz des beweglichen Teiles bei einer Frequenz, gleich der Resonanzfrequenz eines ungedämpften Systems, bestehend aus einer Masse gleich der effektiven Masse des beweglichen Teiles,
gekuppelt mit einer Steifheit gleich der der elastischen Unterstützung des beweglichen Teiles und einer Steifheit gleich der des Luftvolumens in der Luftkammer, multipliziert mit der Differenz zwischen Einheit und dem Quotienten einer Frequenz gleich der Resonanzfrequenz eines ungedämpften Systems, bestehend aus einer Masse gleich der effektiven Masse des beweglichen Teiles, gekuppelt mit einer Steifheit gleich der der elastischen Unterstützung des beweglichen Teiles und der erstgenannten Resonanzfrequenz, wobei alle Grössen in entsprechenden Einheitswerten ausgedrückt sind, z. B. in Zentimeter-Gramm-Sekunden.
Unter"Steifheit"wird das Verhältnis von Kraft in Dyn zu der hervorgerufenen Verschiebung in Zentimeter bezeichnet. Steifheitsreaktanz"drückt das Verhältnis von arithmetischem Mittelwert der Kraft zu arithmetischem Mittelwert der Geschwindigkeit aus, bei konstanter Frequenz der auf eine Feder einwirkenden Weehselkraft.
Weiters können der bewegliche Teil, dessen elastische Unterstützung, die Grösse der Luftkammer und die Fläche deren Öffnung in das Horn gegenseitig so proportioniert sein, dass die akustische, durch das Horn aufgedrückte Belastung im wesentlichen zahlenmässig gleich ist der elastischen Reaktanz des Luftvolumens in der Luftkammer bei einer Frequenz entsprechend der Resonanzfrequenz eines ungedämpften Systems, das besteht aus einer Masse gleich der effektiven Masse des beweglichen Teiles, gekuppelt mit einer Steifheit gleich der der elastischen Unterstützung des beweglichen Teiles und einer Steifheit gleich der des Luftvolumens in der Luftkammer, wobei alle Grössen durch ein entsprechendes Einheitssystem ausgedrückt sind.
In einer elektroakustischen Umwandlungsvorrichtung bestehend aus einem elastisch unterstützten, im wesentlichen starren, beweglichen Teil, der eine Membran beinhaltet und durch eine Kraft betätigt wird, die durch einen in einer Spule fliessenden und mit einem magnetischen Feld zusammenarbeitenden elektrischen Strom hervorgebracht wird, welcher bewegliche Teil mit einer mit einem Horn verbundenen Luftkammer zusammenarbeitet, werden ferner die Spule, die Intensität des magnetischen Feldes, der bewegliche Teil, dessen elastische Unterstützung und die Grösse der Luftkammer so proportioniert, dass der mechanische Dämpfungswiderstand, hervorgerufen durch die magnetelektrisehe Bewegungswirkung des beweglichen Teiles,
im wesentlichen zahlenmässig gleich ist der Massenreaktanz des beweglichen Teiles bei einer Frequenz entsprechend der Differenz zwischen der Resonanzfrequenz eines ungedämpften Systems bestehend aus einer Masse gleich der effektiven Masse des beweglichen Teiles, gekuppelt mit einer Steifheit gleich der der elastischen Unterstützung des beweglichen Teiles und einer Steifheit gleich der des Luftvolumens in der Luftkammer, und zwischen der Resonanzfrequenz eines ungedämpften Systems, bestehend aus einer Masse gleich der effektiven Masse des beweglichen Teiles, gekuppelt mit einer Steifheit gleich der Steifheit der elastischen Unterstützung, wobei die Grössen in einem entsprechenden Einheitssystem ausgedrückt werden.
In einem elektroakustischen Umwandlungssystem, in welchem eine der dargelegten Beschaffenheit entsprechende Umwandlungsvorrichtung verwendet wird, welche einen im wesentlichen starren, beweglichen Teil, der eine Membran beinhaltet, umfasst und durch eine Kraft betätigt wird, die durch einen in einer Spule fliessenden, mit einem magnetischen Feld zusammenarbeitenden elektrischen Strom hervorgebracht wird, welcher bewegliche Teil elastisch unterstützt ist und mit einer mit einem Horn verbundenen Luftkammer zusammenwirkt, kann weiters der reine Ohmsche Widerstand der Spule im wesentlichen gleich der totalen Impedanz des äusseren mit der Spule verbundenen Kreises gemacht werden.
Weiters können die Spule, die Intensität des magnetischen Feldes, der bewegliche Teil, dessen elastische Unterstützung und die Grösse der Luftkammer gegenseitig so proportioniert werden, dass das Quadrat des Kraftfaktors (d. i. die dem beweglichen Teil zugeführte Kraft per durch die Spule fliessenden elektrischen Stromeinheit) im wesentlichen zahlenmässig gleich ist dem doppelten elektrischen Ohmschen Widerstand der Spule, multipliziert mit der Massenreaktanz des beweglichen Teiles bei einer Frequenz entsprechend der Differenz zwischen der Resonanzfrequenz eines ungedämpften Systems bestehend aus einer Masse gleich der effektiven Masse des beweglichen Teiles, gekuppelt mit einer Steifheit gleich der der elastischen Unterstützung des beweglichen Teiles und einer Steifheit gleich der des Luftvolumens in der Luftkammer und der Resonanzfrequenz eines ungedämpften Systems,
bestehend aus einer Masse gleich der effektiven Masse des beweglichen Teiles, gekuppelt mit einer Steifheit gleich der der elastischen Unterstützung des beweglichen Teiles.
Auf diese Weise kann eine elektroakustische Umwandlungsvorrichtung eine Membran mit einer Eigenfrequenz über 3000 Hertz besitzen und kann ein Horn mit der Membran verbunden werden, welches einem Belastungswiderstand für die Membran entspricht, der im wesentlichen gleich ist der Massenreaktanz der Membran in dem Frequenzbereich über 3000 Hertz, wobei die Luftkammer zwischen der Membran und dem Horn eine Steifheitsreaktanz aufweist, die im wesentlichen gleich dem Hornbelastungswiderstand bei irgendeiner Frequenz in dem Bereich über 3000 Hertz ist.
Solch eine elektroakustische Umwandlungsvorrichtung, welche einen im wesentlichen gleich- mässigen und hohen Wirkungsgrad über einen Bereich von verhältnismässig hohen Frequenzen aufweist,
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kann mit einer elektroakustischen Umwandlungsvorrichtung bekannter Art kombiniert werden, die einen hohen Wirkungsgrad über einen Bereich von verhältnismässig niederen Frequenzen hat und die Vorrichtungen können in einem gemeinsamen elektrischen Kreis über einen Kondensator und eine Drosselspule, die hintereinander geschaltet sind, verbunden sein. Die beiden elektroakustischen Umwandlungsvorrichtungen können mit dem Kondensator und der Drosselspule über Transformatoren, vorteilhaft über Autotransformatoren und vorzugsweise mit veränderlicher Übersetzung, verbunden werden.
Die elektroakustische Vorrichtung mit hohem Wirkungsgrad über einen Bereich von niederen Frequenzen kann von der Art sein, die eine ringförmige Membran besitzt, und das Horn der Vorrichtung, das auf relativ hohe Frequenzen anspricht, kann so eingerichtet sein, dass es innerhalb der zentralen Öffnung der ringförmigen Membran der erstgenannten Vorrichtung zu liegen kommt. Das Horn kann weiters in der Ebene der zentralen Öffnung der ringförmigen Membran enden, welch letztere konisch sein kann, so dass sie dem Wesen nach einen verlängerten becherförmigen Teil für das Horn bildet.
Die ringförmige Membran kann mit einer Spule verbunden werden, die in einem radialen magnetischen Feld aufgehängt ist, das durch einen Feldmagnet erzeugt wird, der einen hohlen zentralen Pol besitzt, welcher das Horn umschliesst oder bildet, das zur Belastung der Membran der Vorrichtung dient, welche auf verhältnismässig hohe Frequenzen anspricht.
Die Erfindung sei an Hand der beigeschlossenen Zeichnungen des näheren erläutert. Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemässe Ausführungsform der Hochfrequenz-Wiedergabevorrichtung teilweise im Schnitt ; Fig. 2 ein schematisches Impedanzdiagramm, das akustische System der Vorrichtung nach Fig. 1 darstellend, Fig. 3 eine Anzahl von durch Rechnung erhaltenen Kurven, welche die Wirkungsweise der Vorrichtung nach Fig. 1 erläutern, Fig. 4 einen Kombinationslautsprecher gemäss der Erfindung, Fig. 5 eine verbesserte Ausführungsform der Kombination nach Fig. 4, Fig. 6 eine abgeänderte Ausführungsform, nach welcher der Lautsprecher nach Fig. 1 mit einem Niederfrequenzwiedergeber verbunden ist und Fig. 7 eine typische Ansprechcharakteristik der kombinierten Vorrichtung.
Der Schallwiedergeber nach Fig. 1 ist von der beweglichen Spulentype, wobei das magnetische Feld, in welchem sich die Spule bewegt, durch einen Elektromagneten erzeugt wird. Das Magnetsystem umfasst ein hohles zylinderförmiges Gehäuse 10 aus Stahl oder Schmiedeeisen von hoher Permeabilität mit einem zentralen zylindrischen Kern 11 aus demselben Material. Das Gehäuse ist vorne durch eine ringförmige Stirnplatte 12 aus magnetischem Material abgeschlossen, zwischen deren innerem Rand und dem Kern 11 ein ringförmiger Luftspalt gebildet wird. Das Innere des Gehäuses wird durch eine Magnetisierungsspule 13 ausgefüllt, deren Enden zu Klemmen 14 und 15 an der Seite des Gehäuses herausgeführt sind.
Das Schwingungssystem umfasst eine Membran 16, an der eine aktive Spule 17 starr befestigt ist, deren Enden zu den an der Stirnplatte 12 montierten Klemmen 25 und 26 geführt sind. Die Membran, die zwecks Leichtigkeit vorzugsweise aus einem dünnen Blech einer Aluminiumlegierung besteht, hat einen kugelförmig ausgebauchten Mittelteil und einen flachen Rand, wobei der Durchmesser des ausgebauchten Teiles dem Durchmesser des Luftspaltes gleich ist. Die aktive Spule 17 ist an dem Rand des ausgebauchten Membranteiles befestigt. Die Membran wird an der Oberseite der Stirnplatte 12 zwischen einem Dichtungsring 18 und einem Klemmring 19 in ihrer Stellung gehalten und ist genau zentriert, so dass sich die Spule frei in dem Luftspalt bewegen kann.
Die Innenfläche des Ringes 19 ist mit einem Gewinde versehen, in welches das Flanschende eines Exponentialtrichter (-horns) eingeschraubt wird, wobei die Flanschstirn übereinstimmend mit der Kugelform der Membran ausgehöhlt ist. Der äussere Rand der Flanschstirn ist zu einem vorspringenden Ring 24 ausgebildet, welcher zum weiteren Einklemmen der Membran und auch zur Einstellung des Horns in die richtige Entfernung davon dient. Der Hals des Horns 20 ist erweitert, um ein pfropfenförmiges Element 21 aufzunehmen, welches den Mittelteil des Durchganges absperrt und der Halsöffnung die Form eines Ringes, mit einem Durchmesser, der wenig grösser ist als der halbe Membrandurchmesser, gibt. Der Pfropfen hat die Aufgabe, die Exponentialunterschiede des Schalldurchtrittes im Horn aufrecht zu erhalten.
Die Basis des Pfropfens ist auch so ausgebildet, dass sie mit der Membranform übereinstimmt. Gekreuzte Stifte 22 und 23 dienen dazu, den Pfropfen in seiner Stellung zu halten.
Der Sprecheingangskreis ist mit den Klemmen 25 und 26 der beweglichen Spulenwicklung verbunden. Eine Elementarform des Kreises ist in Fig. 1 gezeigt, welche eine Wellenquelle 28, deren innerer Widerstand durch den Widerstand 29 angezeigt ist, und einen Abtransformator 27 umfasst, dessen Zweck es ist, die Impedanz der Quelle der Impedanz der Spule anzugleichen.
Die Entwurfsbedingungen für das System können leicht aus einer Betrachtung der auftretenden Impedanzen und von der Weise, in welcher sie aufeinander einwirken, abgeleitet werden. Der allgemein bekannten dynamischen Analogie zwischen mechanischen und elektrischen Systemen zufolge, kann der in Fig. 2 gezeigte elektrische Kreis zur Darstellung des Schwingungssystems und der damit zusammenhängenden Belastungen dienen. In der ganzen folgenden Besprechung ist angenommen, dass alle Grössen in entsprechenden Einheiten, z. B. in Zentimeter-Gramm-Sekunden Einheiten ausgedrückt sind.
Der Widerstand R, entspricht der akustischen Impedanz der Belastung durch das Horn, die Kapazität Cs,
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im Nebenschluss mit R2 entspricht dem reziproken Wert der Elastizität der Luftkammer zwischen dem Horn und der Membran, die Drosselspule L1 und die Kapazität cl entsprechen der Masse der Membran und Spule bzw. dem reziproken Wert der Membranrandelastizität und 14 entspricht dem mechanischen Dämpfungswiderstand, hervorgerufen durch die elektromagnetische Kopplung mit dem Spreeheingangskreis. Die E. M.K. E der mit R1 in Serie geschalteten Quelle entspricht der Antriebskraft für die Spule zufolge des darin fliessenden Stromes, wobei angenommen wird, dass die Spule stillstehend gehalten wird.
Wenn die Spule und der Speisekreis im wesentlichen keine Reaktanz aufweisen, was allgemein in gut entworfenen Kreisen der Fall ist, so steht die Antriebskraft in einem konstanten Verhältnis zu der SpeiseE. M. K. Die Stromänderungen in dem Kreis nach Fig. 2 entsprechen daher unter der Annahme, dass die E. M. K. B konstant ist, den Geschwindigkeitsänderungen in dem Lautsprecherschwingungssystem bei konstanter E. M. K im Eingangskreis.
Wenn der Widerstand R2 sehr niedrig ist, tritt der maximale Strom und die maximale Leistung darin auf, wenn Ll und C1 in Resonanz sind, und wenn R2 sehr hoch ist, tritt maximale Leistung auf, wenn Ll mit den in Serie geschalteten Kapazitäten C1 und C2 in Resonanz ist. Diese beiden Bedingungen werden späterhin mit niederer bzw. höherer Resonanz bezeichnet. Wie sich der Wert von ändert, ändert sich in diesen Grenzen die Frequenz maximaler Leistung, wobei die Resonanz weniger scharf für Zwischenwerte des Widerstandes ist. Die gleichmässigste Stromeharakteristik wird erhalten, wenn die Widerstände R1 und R2, bei dem geometrischen Mittel aus den beiden Resonanzfrequenzen, gleich den entsprechenden, gedachten Impedanzen des kuppelnden Netzes sind. Aus dieser Bedingung ergibt sich das Verhältnis
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Serie ist.
Für das mechanische System, welchem Fig. 2 entspricht, sind die Resonanzfrequenzen gegeben durch
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EMI4.6
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wobei bei 81 die Randelastizität der Membran, 82 die Elastizität der Luftkammer und m1die vereinten Massen von Spule und Membran darstellt. Die Bedingungen für gleichmässigstes Ansprechen entsprechend der Gleichung 1 und 2 sind wie folgt :
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worin Rd den mechanischen Dämpfungswiderstand durch den elektrischen Kreis der aktiven Spule und Ra die akustische Belastungsimpedanz für die Membran bezeichnet. Gleichung 6 ergibt. dass die akustische Belastung der Steifheitsfeaktanz der Luftkammer gleich sein sollte bei der oberen Resonanzfrequenz oder der effektiven Massenreaktanz der Membran bei derselben Frequenz.
Der Wert von Rd hängt ab von dem Kraftfaktor der beweglichen Spule, d. i. die zufolge der Stromeinheit in der Spule auf diese ausgeübte mechanische Kraft, und von dem Widerstand des gesamten elektrischen Kreises. Der Wert des Kraftfaktors ist gleich dem Produkt aus der Flussdichte in dem Luftspalt und der Spulenleiterlänge. Im Zentimeter-Gramm-Sekundensystem gegeben durch
EMI4.11
worin M den Kraftfaktor bezeichnet
B die Flussdichte und
1 die Leiterlänge.
Wenn die Spule mit einer Wellenquelle von einer E. M. E. Eo verbunden wird und der Widerstand Ro durch einen Abtransformator ein Impedanzverhältnis 2 hat, ist der totale Widerstand des Eingangskreises gleich
EMI4.12
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worin Re der Spulenwiderstand ist. Der Wert des mechanischen Dämpfungswiderstandes Rd ist dementsprechend gegeben durch
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Die Antriebskraft auf die Spule ist gleich dem Eingangsstrom multipliziert mit dem Kraftfaktor und ist für den oben beschriebenen Eingangskreis gegeben durch
EMI5.2
worin F die Antriebskraft bezeichnet.
Aus der Gleichung 10 ergibt sich, dass die Antriebskraft für eine gegebene Speisespannung dann ein Maximum wird, wenn das Transformatorverhältnis so ist, dass
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Der totale Widerstand des Eingangskreises ist dabei gleich 2 Re. Im allgemeinen wird das Maximum der Antriebskraft erhalten, wenn die Impedanz der elektrischen Quelle dem Spulenwiderstand angeglichen wird.
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Wellenquellenimpedanz dem Spulenwiderstand angeglichen wird. Die Masse m1 ist aus zwei Teilen aufgebaut, der Spulenmasse me und der Membranmasse md. Weiters kann die Spule so gewunden werden, dass ihre Masse nahezu der des metallischen Leiters gleich ist.
Gleichung 13 kann daher folgendermassen geschrieben werden :
EMI5.11
Wenn Re, me und M in Ausdrücken der Leiterdimension angegeben werden, ändert sich die Gleichung zu
EMI5.12
Worin cr und p den spezifischen Widerstand bzw. die Dichte des Spulenleiters bedeutet.
Gleichung 14 bestimmt die Aufteilung der Masse des beweglichen Systems zwischen Spule und Membran, um die maximale Antriebskraft und die maximale Gleichmässigkeit zwischen zwei gegebenen Resonanzfrequenzen hund t2 zu erhalten. Sie gibt auch an, dass der Bereich des gleichmässigen Ansprechens vergrössert werden kann, wenn das Spulenmaterial für das Produkt o p den kleinsten Wert ergibt und wenn die Membran im Vergleich zu der Spule so leicht wie möglich gemacht wird.
Gleichungen 3 und 6 einschliesslich und Gleichung 14 erläutern die wesentlichsten Verhältnisse, die bei Entwurf eines wirkungsvollen Wiedergebens berücksichtigt werden sollten. Die Durchführung eines wirklichen Entwurfes verlangt jedoch, dass andere Faktoren in Berücksichtigung gezogen werden, wie durch das folgende zahlenmässige Beispiel erläutert werden soll.
Die Resonanzfrequenzen t1 und t2 werden mit 7000 und 10000 Hertz angenommen. Das ergibt einen Bereich von 3000 Hertz, in welchem das Ansprechen im wesentlichen gleichmässig erfolgt und wird gestatten, da mit abnehmender Frequenz das Ansprechen langsam abfällt, Frequenzen bis hinab zu
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3500 Hertz ohne ernstliche Abnahme wiederzugeben. Der freie Durchmesser der Membran wird durch die Überlegung bestimmt, dass das Ansprechen durch Welleninterferenzeffekte in der Luftkammer bei den höchst wiederzugebenden Frequenzen nicht abnehmen soll.
Wenn die Halsöffnung des Horns ein Ring ist, mit einem Durchmesser, der wenig grosser ist als der halbe Membrandurchmesser, werden Welleninterferenzeffekte nicht bemerkbar sein, solange der Membrandurchmesser nicht die Wellenlänge bei der höchst wiederzugebenden Frequenz übersteigt. Auf Grund dieser Darlegung soll der Durchmesser, der bei einer maximalen Frequenz von 10000 Hertz arbeitenden Membran 3'0 cm nicht überschreiten.
Als zweckentsprechender Wert kann 2 8 cm genommen werden. Es hat sich ergeben, dass eine Membran dieses Durchmessers aus einem Metallblech, vorzugsweise einer Aluminiumlegierung, 0-0025 cm dick gemacht werden kann, wobei Starrheit durch kugelförmiges Ausbauchen des Mittelteiles bis zu einer Höhe von ungefähr 0'65 cm erreicht werden kann. Die effektive Masse der Membran dieser Abmessungen ist ungefähr 0'055 g. Die Spulenwicklung wird vorzugsweise aus Aluminium hergestellt, da das Produkt aus Dichte und spezifischem Widerstand ungefähr das kleinste erhaltbare ist.
Eine Dichte von 2. 8 und ein spezifischer Widerstand von 2600 Zentimeter-Gramm-Sekunden vorausgesetzt und weiters angenommen, dass eine Flussdichte von 20000 Linien per eng in dem Luftspalt aufrecht erhalten werden kann, ergibt aus Gleichung 14 das Verhältnis der Membranmasse zur Spulenmasse an als
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aus welcher mc = 0'12 g und die totale Masse des beweglichen Systems ergibt sich mit
EMI6.2
Die Werte der Luitkammerelastizität 82 und der Membramandelastizität 81 folgen aus Gleichungen 3 und 4 ; sie sind
EMI6.3
Die Luftkammerelastizität in ihren Dimensiollsgrössen ist
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worin Ad die Membranfläche und V das Luftkammervolumen ist.
Für einen Membrandurchmesser von 2'8 cm ist die Fläche 6'1 cm2. Dies in die obige Gleichung eingesetzt ergibt
EMI6.5
entsprechend einer Kammertiefe von 0'0245 cm.
Die Randelastizität 340 X 106 ist für eine Membran aus 0'0025 cm dickem Material sehr hoch.
Es hat sich aber als möglich erwiesen, diesen Wert durch Verkleinern des flachen, das ausgebauchte Mittelstück umgebenden Teiles zu einem sehr schmalen Ring von ungefähr 0'125 cm Breite zu erhalten, wobei das ausgebauchte Mittelstück 2'55 cm im Durchmesser hat. Ein vorteilhaftes Ergebnis dieser Konstruktion ist, dass der starre Teil praktisch die ganze Membranfläche einnimmt, so dass eine regelrecht Kolbenwirkung erzielt wird. Weiterhin wird dadurch, dass die aktive Spule denselben Durchmesser wie der ausgebauchte Teil hat und an dessen Rand befestigt ist, ein Antrieb erhalten, der keinen Hang zeigt, ein "Abbrechen" der Membran in dem arbeitenden Frequenzbereich zu verursachen.
Die akustische Belastungsimpedanz, die das Horn liefern muss, wird aus der Gleichung 6 gefunden mit
EMI6.6
In Grössen der Membran-und Hornhalsdimensionen ist die Belastungsimpedanz gegeben durch
EMI6.7
wobei Ah die Fläche der Halsöffnung darstellt. Durch Einsetzen der fÜr Ad und Ra schon erhaltenen Werte ergibt sich eine Halsfläche
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Für ein Minimum derWelleninterferenz in der Luftkammer sollte die ringförmige Halsöffnung einen Durchmesser von ungefähr 62% des Membrandurchmessers oder 1'8 cm haben. Unter Verwendung dieses Wertes ergibt sich die radiale Öffnul1gsbreite mit 0'05 cm.
Das Horn kann sehr klein sein, da es keine Frequenz unter 3000 Hertz auszustrahlen hat. Vorzugsweise ist es von der Exponentialtype, mit einem ziemlich jäh abgebogenen tellerförmigen Rand und einer Mundöffnung von 5-7'5 cm im Durchmesser. Die Länge des Horns braucht 7'5 cm. nicht übersteigen und kann auch nur 6 cm betragen.
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Die Ausbildung der aktiven Spule wird in erster Linie dadurch bestimmt, dass der mechanische Dämpfungswiderstand Rd den durch Gleichung 5 verlangten Wert haben soll. Mit einem angeglichenen Impedanzeingangskreis ist der Dämpfungswiderstand
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oder nach den Grössen der Drahtdimensionen
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Aus Gleichung 5 ergibt sich der zahlenmässige Wert von Rd mit 3300 Zentimeter-Gramm-Sekunden. Aus Gleichung 15 folgt unter Annahme einer Flussdichte von 20000 und eines spezifischen Widerstandes von 2600 Zentimeter-Gramm-Sekunden Einheiten, dass das verlangte Leitervolumen
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Der Dämpfungswiderstand ist unabhängig von der Zahl der Windungen der aktiven Spule, solange das Leitervolumen ungeändert bleibt.
Die Spule kann daher einen einzelnen Leiter umfassen, mit 2'55 cm Durchmesser, axialer Länge von 0'25 cm und radialer Dicke von 0'023 cm. Es ist jedoch vorzuziehen, den elektrischen Widerstand der Spule hoch zu machen, um die Widerstände der Leitungszuführungen vernachlässigbar klein werden zu lassen und auch das Angleichen der Impedanz zu erleichtern. Die vorzuziehende Konstruktion besteht daher aus ungefähr 50 Windungen aus flachem Leiterband, 0'023 cm Breite und 0'005 cm Dicke, so gewunden, dass das Band flach in der Ebene der Spule liegt. Die Windungen können durch einen zweckentsprechenden Lack zusammengehalten werden, welcher auch als Isolierung dient. Durch diese Konstruktion nimmt die Isolierung einen vernachlässigbar kleinen Raum ein und vermehrt nicht merklich das Spulengewicht.
Bei einer Spulendicke von 0'023 cm hat sich ergeben, dass ein magnetischer Luftspalt von 0'065 cm Breite einen vollkommen grossen Spielraum gewährt. Der kleine Luftspalt gestattet gleichzeitig, dass die Flussdichte von 20000 leicht erhalten werden kann.
Das durch Berechnung erhaltene Ansprechen eines in der vorbeschriebenen Weise konstruierten Wiedergebers ist in den Kurven in Fig. 3 dargestellt. Die Abszissen der Kurven sind der Frequenz proportional und die Ordinaten dem Logarithmus aus dem Druck in einem Punkt vor dem Wiedergeber für eine gegebene Eingangsspannung, die Skala der Ordinaten ist in Übertragungseinheiten mit willkürlich gewähltem Ursprung angegeben. Kurve 30 zeigt das Ansprechen bei in der beschriebenen Weise abgeglichenen Impedanzen. Kurve 32 stellt das Ansprechen bei sehr stark vergrösserter akustischer Belastungsimpedanz und Kurve 33 das Ansprechen mit einer sehr schwachen akustischen Belastung dar. Die Spitze der Kurve 32 tritt bei 10000 Hertz der oberen Resonanzfrequenz auf und die Spitze der Kurve 33 bei der Eigenschwingung der Membran oder der Niederresonanzfrequenz.
Es mag wünschenswert sein, die oberen Frequenzen des Bereiches ein wenig zu bevorzugen und das kann bis zu einem beschränkten Ausmass, ohne bemerkenswertes Abnehmen des Ansprechens auf niedere Frequenzen, durch schwaches Vergrössern der akustischen Belastungsimpedanz durchgeführt werden. Kurve 31 zeigt die Wirkung bei Erhöhung der Belastungsimpedanz von 5600 Zentimeter-Gramm-Sekunden auf 8000 Zentimeter-GrammSekunden. Diese Veränderung wurde in einer Vorrichtung, die entsprechend der vorstehenden Dimensionen aufgebaut war, durch Vermindern der Hornhalsfläche um 30% durchgeführt, wobei der Durchmesser der ringförmigen Öffnung von 1'8 cm auf 1'3 cm verkleinert und die Breite mit 0'05 cm aufrechterhalten wurde.
Ein Kombinationslautsprecher gemäss der Erfindung ist in Fig. 4 gezeigt. In dieser Vorrichtung ist ein Hochfrequenztelephonempfänger von oben besprochener allgemeiner Konstruktion mit einem Spulenlautsprecher kombiniert, der eine frei ausstrahlende Membran von genügender Grösse für die Wiedergabe niederer Frequenzen hat. Ein einziger Elektromagnet schafft für die Spulen beider Empfänger die magnetischen Felder.
Das Magnetsystem umfasst ein zylindrisches Gehäuse 34 mit einem Mittelkern 11, wie in Fig. 1, um welchen der Luftspalt für die Spule 17 des Hochfrequenztelephonempfängers gebildet ist.
Der Luftspalt wird zwischen dem Kern 11 und einem nach innen vorspringenden Flansch an dem unteren Ende eines zylindrischen Polstückes 35 gebildet, welches an der Grundfläche des Gehäuses 34 durch einen nicht magnetischen Distanzring 36 unterstützt ist. Das obere Ende des zylindrischen Organes 35 umgibt eine ringförmige Stirnplatte 37, welche das Gehäuse nach oben abschliesst und einen Luftspalt für die Spule des Niederfrequenztelephonempfängers freilässt. Die Membran 16 des Hochfrequenztelephonempfängers wird durch das Organ 35 unterstützt, wobei der obere Teil des Flansches dieses Organes zurückspringt und mit Gewinde versehen ist, in welches das Ende des Hornes 20 eingeschraubt ist, welches als ein Klemmittel, wie in der Vorrichtung nach Fig. 1, dient.
Das Horn ist in dem Zylinder 35 eng eingepasst, wie in der Zeichnung gezeigt, wobei die Hornmündung mit der Ebene der Oberfläche des Magnetsystems zusammenfällt.
Der Niederfrequenztelephonempfänger umfasst eine verkürzte konische Membran 38 und eine bewegliche Spule 39, die an der Membran an dem Rand der zentralen Öffnung befestigt und in dem Spalt
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zwischen den Elementen 37 und 35 zentriert ist. Die Membran wird an ihrem äusseren Rande an einem starren, konischen Gehäuse 41, welches das Magnetsystem trägt, mittels eines flachen biegsamen
Randes 40 abgestützt, der an seinem äusseren Rande durch einen Klemmring 42 festgehalten wird. Die nicht gezeichnete Magnetisierungswieklung füllt den Raum 43 zwischen Gehäuse 34 und dem zylindrischen
Organ 35 aus. Eine zusätzliche Wicklung kann, wenn notwendig, in den Raum zwischen dem zentralen
Kern 11 und dem nicht magnetischen Ring 36 eingesetzt werden.
Ein Kennzeichen dieses Aufbaues ist, dass die relativen Werte der Flussdichte zum Ausgleichen des Ansprechens der beiden Vorrichtungen geändert werden können. Gewöhnlich wird der Luftspalt für den Hochfrequenztelephonempfänger zufolge seiner kleineren Fläche die grössere Dichte aufweisen, aber ein Teil des Flusses wird bestrebt sein, einem Ableitungsweg zwischen der Basis des Zylinders 35 und der Basis des Gehäuses 34 zu folgen. Durch Änderung des Spielraumes zwischen diesen Teilen kann der Ableitungsbetrag kontrolliert werden und können die Flussdichten auf zweckmässige, relative Werte eingestellt werden. Der Distanzring 36 kann abgeändert, aus Stahl oder Eisen hergestellt werden, so dass er auch einen Teil des magnetischen Kreises bildet.
In diesem Falle sind getrennte Erregerwicklungen für die beiden Luftspalte notwendig, wobei die für den inneren Spalt in den den Kern 11 umgebenden
Raum verlegt wird und vorzugsweise so gepolt ist, dass ihre magnetomotorische Kraft entgegengesetzt zu der der Hauptwicklung im Ring 36 ist.
Eine verbesserte Ausführungsform des vorbeschriebenen Aufbaues, in welchem das Hochfrequenz- horn direkt durch den Aufbau des Feldmagneten gebildet wird, ist in Fig. 5 gezeigt. Der magnetische
Kreis umfasst ein mit Rippen versehenes Gehäuse 45 mit einem zentralen Kern, der eine durchgehende erweiternde Öffnung aufweist, welche das Hochfrequenzhorn bildet. Das Gehäuse ist mit zwei Ausnehmungen versehen, eine unterhalb und die andere oberhalb des rippenförmigen Steges, welche zur Aufnahme der Magnetisierungswicklungen 46 und 47 dienen. Diese Ausnehmungen sind durch ringförmige Stirnplatten 48 und 49 abgeschlossen, welche einen Luftspalt um den zentralen Kern für die beiden beweglichen Spulen frei lassen.
Die bewegliche Spule 39 der freien Membran 38 ist in dem Luftspalt, der die Hornmündung umgibt, und die bewegliche Spule 17 des Hochfrequenzlautsprechers in dem Luftspalt, der den Hornhals umgibt, gelegen. In dieser Vorrichtung ist die Hochfrequenzmembran und - spulenkombination im Vergleich zu Fig. 1 und 3 nach abwärts verdreht, wobei der Basis des Hornes eine konvexe Form gegeben ist, um die notwendigen Luftspaltdimensionen vorzusehen. Ein abschliessender Deckel 50 schützt die Hochfrequenzmembran und dient als Klemmittel für diese.
Bei der Ausführung der frei ausstrahlenden Membran und Spulenkombination 38, 39 des Niederfrequenztelephones ist es wünschenswert, dass der mechanische Dämpfungswiderstand, der durch die elektromagnetische Kopplung mit dem Kreis der aktiven Spule hervorgerufen wird, gross genug ist, um die Membranbewegung periodisch zu gestalten. Das bewegliche System des Niederfrequenztelephones besteht aus einer einfachen Resonanzkombination, die nur die Membranmasse und die Elastizität ihrer Unterstützung enthält, wobei die letztere so klein ist, dass die Resonanzfrequenz gewöhnlich weit unter 200 Hertz ist. Die akustische Belastung ist zu klein, um die gewünschte Dämpfung hervorzubringen, welche daher durch die elektromagnetische Kopplung erreicht werden muss.
Da die Spulenmasse bei Vorrichtungen dieser Art im Vergleich zur Membranmasse klein ist, kann die Spule, im Gegensatz zu der vorzugsweise aus Aluminium hergestellten Spulenwicklung des Hochfrequenztelephones, vorteilhaft durch einen Kupferleiter gebildet sein, wodurch ein sehr hoher Dämpfungswiderstand ermöglicht ist.
Fig. 6 zeigt die Kombination eines Lautsprechers der in Fig. 1 gezeigten Type mit einem andern Hornlautsprecher, welcher hauptsächlich auf Niederfrequenzwiedergabe eingerichtet ist. Der Niederfrequenzlautsprecher umfasst einen Empfänger 51 der bekannten Art mit einer beweglichen Spule und ein grosses Exponentialhorn 52. Der Hochfrequenzempfänger 59 ist zentral in der Hornmündung mittels Metallstreifen 53 und 54'montiert. Die Fig. 6 zeigt auch eine zweckmässige Form eines Eingangskreises, wobei jeder Lautsprecher für Frequenzen ausgestattet ist, welche seinem eigenen speziellen Bereich entsprechen, und wodurch eine konstante Widerstandsbelastung an der Wellenquelle aufrecht erhalten wird.
Dieser Kreis umfasst eine Drosselspule 55 und eine Kapazität 56 in Serie zwischen zwei Klemmen A und B, mit welchen die Wellenquelle verbunden ist. Der Hoehfrequenzlautsprecher ist über einen Autotransformator 57 von hoher Impedanz mit den Enden der Drosselspule 55 verbunden und der Nieder- frequenzlautspreoher ist ähnlich über einen Autotransformator 58 an die Klemmen der Kapazität 56 angeschlossen. Beide Autotransformatoren sind mit sekundären Anzapfungen versehen, wobei die Empfängerzuleitungen mit einem zweckmässigen Punkt verbunden werden, um ein Angleichen der Impedanz zwischen der Impedanz der beweglichen Spule und der Quellenimpedanz zu sichern.
Die mit der Quelle verbundene totale Belastungsimpedanz umfasst dabei den Widerstand der Hochfrequenzlautsprecherspule mit parallel geschalteter Drosselspule 55 in Serie mit der Parallelanordnung von Nieder- frequenzlautsprecher und Kapazität 56. Wenn die Impedanzen angeglichen sind, gibt diese Anordnung eine konstante Widerstandsbelastung. Bei niederen Frequenzen geht praktisch alle Energie zu dem Niederfrequenzlautsprecher und bei hohen Frequenzen geht die Energie zu dem Hochfrequenzlautsprecher.
Es gibt dabei keine scharfe Frequenzteilung ; die Energie in dem einen Empfänger nimmt allmählich zu, wenn die Energie in dem andern Empfänger fällt, wobei die beiden bei der Resonanzfrequenz der
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Kombination von Drosselspulen und Kapazität gleich sind. Diese Resonanzfrequenz sollte der abteilenden Frequenz des Wirkungsbereiches der Lautsprecher selbst, oder wenn die Bereiche einander überdecken, der Mittelfrequenz des Überdeckungsbereiches entsprechen.
Eine gemessene Ansprechcharakteristik eines erfindungsgemässen Kombinationslautsprechers ist in Fig. 7 dargestellt. Der Bereich erstreckt sich von-10 Hertz bis 10000 Hertz nur mit geringfügigen, dem Ohr kaum vernehmbaren Ungleichförmigkeiten. Die Ordinaten in Fig. 7 stellen die totale akustisch abgegebene Leitung dar, die in Übertragungseinheiten über einem angenommenen Ursprung aufgetragen ist und die Abszissen veranschaulichen die Frequenz, die in einem logarithmischen Massstab aufgetragen ist.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Elektroakustische Umwandlungsvorrichtung, wie Lautsprecher od. dgl., welche einen im wesentlichen starren, beweglichen Teil und dieser eine elastisch gestützte, mit einer Luftkammer und einem daran anschliessenden Horn (Trichter) zusammenarbeitende Membran aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der bewegliche Teil, dessen elastische Unterstützung, die Grösse der Luftkammer und die Öffnungsfläche der Luftkammer in das Horn im Verhältnis zueinander so bemessen sind, dass die akustische, durch das Horn auferlegte Belastung (Ra) im wesentlichen zahlenmässig gleich ist der Massenreaktanz des beweglichen Teiles bei einer Frequenz (t2) gleich der Resonanzfrequenz eines ungedämpften Systems.
bestehend aus einer Masse gleich der der effektiven Masse des beweglichen Teiles, verbunden mit einer Steifheit gleich jener des elastischen Trägers des beweglichen Teiles und einer Steifheit gleich jener des Luftvolumens in der Luftkammer, multipliziert mit der Differenz zwischen Eins und dem Quotienten einer Frequenz (fui), gleich der Resonanzfrequenz eines ungedämpften Systems, bestehend aus einer Masse gleich der effektiven Masse des beweglichen Teiles, verbunden mit einer Steifheit gleich der der elastischen Unterstützung des beweglichen Teiles, und der erstangeführten Frequenz (t2)'wobei alle Grössen in entsprechenden Einheitswerten, z. B. in Zentimeter-Gramm-Sekunden ausgedrückt sind.