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Die Erfindung bezieht sich auf Tonwiedergabevorrichtungen und hauptsächlich auf die Kon- struktion phonographischer Wiedergeber für Platten, Walzen od. dgl. mit auf elektrischem wie auch akustischem Wege aufgenommenen Aufzeichnungen des sogenannten Edison-Charakters, d. h. solchen, bei welchen Erhöhungen mit Vertiefungen abwechseln.
Sie bezweckt eine derartige Ausgestaltung der Wiedergabevorriehtung, dass diese wirksam und im wesentlichen gleichmässig über den gesamten Frequenzbereich von Sprache und Musik oder, wenn gewünscht, sogar über einen grösseren Bereich anspricht.
Gemäss der Erfindung ist eine elektrische Tonwiedergabevorrichtung für phonographische Platten,
Walzen od. dgl. der vorangeführten Art mit einer beweglichen Spule ausgestattet, die direkt oder starr mit dem in die Aufzeiehnungsrille eingreifenden Stift verbunden ist und in einem magnetischen Feld liegt. Die Spule und der Stift sind mit dem Körper der Wiedergabevorrichtung vorzugsweise vermittels eines elastischen Trägers verbunden, welcher den Stift mit der Aufzeiehnungsrille in Kontakt hält, wobei ein wesentlicher Teil des Gewichtes der Wiedergabevorrichtung durch den elastischen Träger getragen und dieser dadurch normal beansprucht wird.
Die Spule, die elastische Unterstützung und andere zusammenwirkende Teile der Wiedergabevorrichtung können so ausgestaltet sein, dass die maximale mechanische Impedanz in Dyn/cm/sek, gemessen an der Stiftspitze bei irgendeiner Frequenz innerhalb des wiederzugebenden Frequenzbereiches, multipliziert mit der maximalen Geschwindigkeit in emjsek, welche bei dieser Frequenz von der Stiftspitze erreicht wird, geringer ist als die Steifheit in Dyn/cm, multipliziert mit der Abweichung oder Beanspruchung des elastischen Trägers in cm, wenn der Stift in der Aufzeichnungsrille normal, jedoch in statischem Zustand aufruht.
Weiters muss die Masse des beweglichen Spulen-und Stiftsystems und die Steifheit der elastischen Unterstützung gegenseitig so proportioniert sein, dass sie ein mechanisches Resonanzsystem mit einer Eigenfrequenz bilden, die im wesentlichen im Mittel zwischen den höchsten und niedersten wiederzugebenden Frequenzen liegt.
Eine Tonwiedergabevorrichtung gemäss der Erfindung kann für einen Druck des Wiedergabestiftes auf die Platte od. dgl. von 10 g ausgeführt sein, wobei alle Frequenzen in dem hörbaren Bereich wiedergegeben werden, ohne dass der Stift das Bestreben zeigt, sich vom Boden der Rille abzuheben.
Dieses bei Wiedergabevorrichtungen für Vertiefungsaufzeichnungen bestehende Bestreben des Stiftes, sich von der Oberfläche der Platte abzuheben, hat bis jetzt die maximale Schwingungsamplitude bzw. Rillentiefe auf einen sehr niederen Wert beschränkt und eine befriedigendewiedergabe von Frequenzen in den hohen sowie niederen Lagen der Sprache und Musik verhindert.
Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung wurde aber festgestellt, dass eine Grundbedingung für die getreue Wiedergabe von Aufzeichnungen der in Frage kommenden Art eine derartige Konstruktion der Wiedergabevorrichtung ist, bzw. dass sie solche mechanische Konstanten aufweist, dass die gesamte Kraft, die bestrebt ist, den Wiedergeber auf der Platte zu halten, innerhalb des interessierenden Frequenzbereiches niemals geringer wird als das Produkt aus Stiftspitzengeschwindigkeit und Stiftspitzenimpedanz.
Wenn diese Bedingung erfüllt ist, wird die Vorrichtung stets entsprechend der aufgezeichneten Welle ohne Rücksicht auf ihre Eigenperiode oder Perioden, zwangsläufig angetrieben,
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so dass bei richtiger Wahl der Konstanten ein Ansprechen über einen Bereich, der weit grösser ist als der bisher erhaltene, erreicht werden kann. Da das System dadurch, dass die beweglichen Teile mit der Platte in Kontakt gehalten werden, nicht frei schwingen kann, unterscheidet sieh die Wiedergabevorrich- tung von den bisher vorgeschlagenen Wiedergabevorrichtungen für seitliche Aufzeichnungen wie auch von solchen für Vertiefungsaufzeichnungen grundsätzlich dadurch, dass das gleichmässige Ansprechen der Frequenzen ohne Dämpfung der Wirkung des beweglichen Systems erhalten wird.
Weitere Ausgestaltungen des Erfindungsgegenstandes seien an Hand der Zeichnung erörtert, in welcher Fig. 1 eine vergrösserte Gesamtansicht einer erfindungsgemässen elektrischen Wiedergabevorrich- tung zeigt. Fig. 2 zeigt in vergrössertem Massstab einen Teil der Wiedergabevorrichtung nach Fig. 1 im Schnitt bzw. die Anordnung des beweglichen Systems und der elastischen Befestigung, Fig. 3 zeigt ein schematisches Diagramm, in welchem die mechanischen Elemente gemäss der Erfindung durch analoge, elektrische Elemente ersetzt sind. Fig. 4 stellt schematisch einen Schnitt eines Teiles einer Vertiefungsaufzeichnungsrille im vergrösserten Massstab dar.
Fig. 5 zeigt ein Diagramm, in welchem die Wirkung einer Veränderung der Masse des Schwingungssystems auf die herausgesehnittenen Frequenzen dargestellt ist, und Fig. 6 ein ähnliches Diagramm, welches den Effekt einer Veränderung der Anfangsbewegung der Befestigung des beweglichen Systems veranschaulicht.
Ein U-förmiger Magnet 1, Fig. 1, hat zwei Schenkel verschiedener Länge und wird in seiner Stellung an der Wand des Gehäuses 2 durch eine Ständerkonsole 3 gehalten. Die Polteile 4 und 5 sind so geformt und eingestellt, dass das Mittelstück 6 des Polteiles 5 in eine Öffnung des verschmälerten Endstückes des Polteiles 4 hineinragt und einen Luftspalt 8 bildet. Dieser Luftspalt ist vorzugsweise ringförmig, kann aber auch elliptisch sein oder irgendeine andere eventuell gewünschte Form aufweisen. Zweckmässig ist der Polteil 5 hohl, so dass man, um den Polteil 5 in bezug auf den Polteil 4 genau einstellen zu können, einen Dorn benutzen kann.
Die Messingstütze 9 wird dann an entsprechender Stelle so angelötet, dass die Einstellung aufrechterhalten bleibt, dass also, wenn das Mittelstück 6 eingesetzt und durch die Schraube 10 festgehalten ist, der Luftspalt überall eine gleichmässige Breite aufweist. Schrauben 11 halten das Ganze im Gehäuse 2 fest und mit Gewinde versehene Löcher 12 ermöglichen, den (nicht gezeichneten) Deckel des Gehäuses durch ähnliche Schrauben zu befestigen.
Innerhalb des Luftspalts 8 ist eine Spule 13 angeordnet, die aus ungefähr 40 Windungen eines feinen Banddrahtes, vorzugsweise aus Aluminium, besteht. Die Windungen sind auf einer mit einem geeigneten Stift 15 versehenen Hartgummiform 14 aufgewickelt (Fig. 2). Die elastische Abstützung dieses beweglichen Systems erfolgt durch zwei Federnstahldrahtstücke von ungefähr 9 Mus = 0-23 mm Durchmesser, die um den den Stift haltenden Teil der Form 14 herumgebogen und durch die Schraube 16 an einem am Polteil 4 befestigten Hartgummibloek 17 festgeklemmt sind. Die Enden der Spule M sind ein wenig gewunden und an Klemmen 18 angeschlossen, von welchen Drähte 20 zu den Verstärkern des Tonwiedergabesystems führen können.
Die Erwägungen, welche bezüglich der vorerwähnten Grundbedingungen dargelegt wurden, und die Art, in welcher die Ausführungen verändert werden mögen, um den Bedürfnissen und Bedingungen irgendeines besonderen Falles Genüge zu leisten, basieren auf der folgenden, analytischen Methode welche zum Studium des Problems der Vertiefungsaufzeichnungen herangezogen wurde und zu der vorliegenden Erfindung geführt hat.
Es ist selbstverständlich, dass der Stift zwecks verzerrungsfreier Wiedergabe den Tiefenänderungen der Aufzeichnungsrille, von welchen eine schematisch in Fig. 4 veranschaulicht ist, genau folgen muss. In dieser Figur stellt qrc in cm die Änderungen der Oberfläche der Rille in bezug auf die Unterseite der Schallplatte dar, 10 gibt die maximale Amplitude der Welle an und q veranschaulicht die Änderungen in der Stellung des beweglichen Systems. Q ist die anfängliche vertikale Verstellung des beweglichen Systems in bezug auf den Magnet, hervorgerufen durch das Aufruhen des Wiedergebers in der Rille, d. h. die Verbiegung oder Beanspruchung der federnden Abstützung der Spule.
Die Gleichung einer solchen Rille in Zeiteinheiten kann aufgestellt werden als
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Die Gleichung für die Lage der Spitze des Wiedergeberstiftes bei der Bew egung in dieser Rille von ver-
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systems in cm zu irgendeiner Zeit t und J eine angenommene Tiefe des Plattenmaterials in cm. Es ist allgemein üblich, die Elemente mechanischer Schwingungssysteme zum besseren Studium als Analoga der Elemente eines entsprechenden elektrischen Systems zu betrachten.
In dem vorliegenden Fall kann der Aufbau jeder der beiden oberwähnten Wiedergabevorrichtungen durch das Diagramm Fig. 3 dargestellt werden, in welchem m in g die totale effektive Masse des beweglichen Systems, < S'in Dyn/cm die Steifheit der elastischen Befestigung und R in mechanischen Ohms (JJynjcrnjsee) den auf das bewegliche System ausgeübten Dämpfungseffekt darstellt, wobei alle Grössen auf die Spitze des Stiftes bezogen sind.
Da die Masse dieses Systems mit der Platte immer in Kontakt sein muss, darf die Summe der Kräfte, die bestrebt sind, den Kontakt aufrechtzuerhalten, niemals kleiner als Null sein. Analytisch
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ausgedrüekt ergibt dies
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Aufgelöst lautet diese Gleichung :
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Da dieser letztere Ausdruck einen minimalen Wert hat, werden die Bedingungen der Absicht entsprechend erfüllt sein, wenn der Stift mit der Rille für diesen extremen Fall in Kontakt bleibt.
Differenziert man diesen Ausdruck und setzt ihn gleich Null, so erhält man :
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woraus folgt, dass
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Durch Einsetzen der Gleichung 4) in Gleichung 3) erhalten wir
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worin
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Aus Gleichung 4a) ergibt sich, da qjo = V, nämlich der maximalen Schwingungsgeschwindigkeit bei einer gegebenen Frequenz und eine positive Grösse ist.
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welche Gleichtung den analytischen Ausdruck für die Grundbedingung des Eontakthaltens des Stiftes mit der Rille darstellt.
Angenommen, dass beide Glieder der Gleichung 4a) positive Grössen sind, so ergibt sich direkt die folgende Gleichung in w :
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Durch Nullsetzen ergeben sich vier Wurzeln aus dieser Gleichung, von denen zwei positive Lösungen darstellen, welche daher von Interesse sind. Wenn die Gleichung 6) irgendeiner Grösse, die kleiner als Null ist, gleichgesetzt wird, ergeben sich Lösungen für 00, welche zwischen die beiden begrenzenden positiven Lösungen, die durch Nullsetzen des linken Gliedes dieser Gleichung erhalten werden, fallen. Der untere Grenzwert für unverzerrte Wiedergabe #1 und der obere Grenzwert #2 sind weiter unten angegeben.
Für Werte, die zwischen diese beiden Grenzen fallen, sind die für den Stift notwendigen
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beträgt. Die Lösung der Gleichungen 7) und 8) ergibt für fi und f2 Werte von 34 bzw. 100.000 Hertz, was bedeutet, dass, insofern als das Vermögen des Folgens der Aufzeichnungsrille in Betracht kommt, eine Wiedergabevorrichtung, die diese Konstanten aufweist, alle Frequenzen zwischen diesen Werten wiedergeben ird.
Fig. 5 und 6 zeigen, wie die herausgeschnittenen Frequenzen, d. h. das unverzerrte Frequenzband, das von der Wiedergabevorriehtung bestrichen wird, sich ändert, wenn die Werte der Masse und der Anfangsverstellung verändert werden. Aus den abgeleiteten allgemeinen Gleichungen 5,7 und 8 erscheint es selbstverständlich, dass es einfach ist, die Konstanten der vorgeschlagenen Wiedergabevorrichtung so zu bemessen, dass diese auf jeden gewünschten Frequenzbereich anspricht. Die Kurven in Fig. 5, die auf Grund der angegebenen Werte von S, Q und V aufgebaut wurden, zeigen klar, nuie durch ein Verkleinern der Masse des beweglichen Systems das unverzerrte Band zufolge Ansteigens der oberen
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oberen abgeschnittenen Frequenz gegenüber der Masse des bewegliehen Systems dar.
Fig. 6 soll haupt- sächlich zeigen, dass für eine gegebene Steifheit, wie 107 Dyn/ern, das unverzerrte Band mit zunehmender Anfangsgeschwindigkeit breiter wird, so dass der Bereich des Wiedergebers auf diese Weise ohne Änderung der Konstruktion noch erhöht werden kann. In Fig. 6 ist die Anfangsgeschwindigkeit oder Beanspruchung der Feder in cm horizontal und die Frequenz in Hertz vertikal aufgetragen. Die Kurven fi und stellen die Änderungen der unteren bzw. oberen abgeschnittenen Frequenz gegenüber den Änderungen der Anfangsverstellung oder Beanspruchung für mehrere Werte von R dar. Wie schon ausgeführt, ist eine Dämpfung in einer richtig ausgeführten Wiedergabevorrichtung dieser Art nicht notwendig.
Es ist jedoch möglich, dass es bei der fabriksmässigen Herstellung wünschenswert erscheint, irgendeine Dämpfung anzuwenden, dies mehr, um vorübergehende Effekte zu verhindern, als sich auf die sonst notwendige Präzision der Herstellung zu verlassen. Wenn z. B. die elastische Befestigung Liner Verdrehung nicht genügenden Widerstand leistet, kann die Reibung des Stiftes in der Rille vorübergehende Schwingungen oder"Stotter- effekte"hervorbringen, die durch ein leichtes Schaukeln der Spule in dem Spalt entstehen. Dieser Effekt könnte auf verschiedene Arten leicht und ohne wesentliche Verringerung der eigentlichen Bewegung ausgemerzt werden ; z. B. durch die Anwendung von Öl in dem Spalt, welches die erforderliche Dämpfung durch die vertikale Verdrängung zufolge der Schaukelbewegung der Spule bewirken würde.
Aus den Kurven von Wiedergabevorrichtungen mit verschiedenen Dämpfungswerten, wie angedeutet, ist ersiehtlich, dass die Dämpfung praktisch keinen Einfluss auf den Frequenzbereich einer solchen Wiedergabevorrichtung ausübt, wenn sie für hochqualifizierte Leistung entworfen ist.
Es hat sich ergeben, dass durch die richtige Wahl der Konstanten eine Konstruktion erhalten wird, welche nicht nur der Gleichung 5 Genüge leistet, sondern auch eine so niedere mechanische Impedanz aufweist, dass die Abnutzung harter Platten wesentlich verringert wird und ein solcher Wiedergeber zum wiederholten Zurückspielen weicher Wachsplatten verwendet werden kann, ohne deren Wert als Originalplatten, von welchen industriell Abdrücke gemacht werden können, zu beeinträchtigen.
Aus der vorerwähnten Erklärung des Aufbaues ist es nun klar, dass die Resonanzfrequenz des beweglichen Systems keinen Effekt auf das Ansprechen der Vorrichtung ausübt, so dass ein gleichmässiges Ansprechen über den ganzen Bereich, für welchen sie gebaut ist, stattfindet. Es sollte jedoch berück- sichtigt werden, dass die Resonanzfrequenz tatsächlich einen Einfluss auf die Plattenabnutzung hat.
Um einen gegebenen Bereich bei dem kleinstmöglichen Druck auf die Platte mit einem beweglichen System von gegebener Masse zu erfassen, muss die Steifheit eine solche sein, dass die Resonanzfrequenz 00" bei dem geometrischen Mittel aus den oberen und unteren Grenzen der zu überdeckenden Frequenzen auftritt, wie dies Fig. 6 zeigt. In diesem Falle wirkt eine solche ständige, durch S Q dargestellte Vibrationskraft auf die Platte, dass sie gerade durch die Summe der Reaktionen nach Gleichung 2) an beiden begrenzenden Frequenzen des Bandes aufgehoben wird.
Wenn die Resonanzfrequenz bei irgendeiner andern Frequenz auftritt, wird die Vibrations-Kraftfrequenzkurve nicht symmetrisch in bezug auf das Band sein, so dass also die Vibrationskraft auf einer Seite des Frequenzbandes grösser ist als auf der andern, und es wird die ständige Kraft notwendigerweise gross genug sein, um der grösseren Kraft das Gleichgewicht zu halten und wird daher eine grössere Abnutzung als in dem vorher angeführten Falle verursachen.
Da die obere Grenzfrequenz einer Wiedergabevorrichtung dieser Type viel höher gehalten werden kann, als bei irgendeiner Konstruktion bekannter Art, wird es zum erstenmal möglich, den gesamten hörbaren Bereich und sogar noch höhere Frequenzen wiederzugeben.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Elektrische Tonwiedergabevorrichtung für phonographische Platten, Walzen od. dgl. mit aus Vertiefungen und Erhöhungen bestehenden Aufzeichnungen, dadurch gekennzeichnet, dass eine bewegliche Spule direkt oder starr mit einem in die Aufzeiehnungsrille eingreifenden Stift verbunden ist und in einem magnetischen Feld liegt.