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Membran zur Aufnahme und Wiedergabe akustischer Schwingungen.
Es ist bekannt, zur Erzielung einer möglichst verzerrungsfreien Wiedergabe akustischer Frequenzen Membranen, die als Ganzes schwingen, sogenannte Kolbenmembranen, zu verwenden.
Bei der am häufigsten angewendeten Ausführungsform besteht die Membran im wesentlichen aus einer kegelförmigen abstrahlenden Fläche, die verhältnismässig starr gemacht und an ihrem äusseren Umfange biegsam aufgehängt ist. Der Angriff der antreibenden Kraft ist dabei in Richtung der Kegelachse gelegt, so dass nur eine Komponente der Kraft senkrecht zur Membranfläche wirkt. Die Membranen haben so gegenüber ebenen Membranen den Vorteil, dass das unterteilte Schwingen der Membran weitgehend vermieden ist. Dadurch ist eine wesentliche Ursache für Verzerrungen ausgeschaltet, da das unterteilte Schwingen Interferenzen zwischen Schallstrahlen, die von verschiedenen Punkten der abstrahlenden Fläche ausgehen, bedingt.
Um zum Zwecke der Vermeidung des unterteilten Schwingens die Steifigkeit der Membran möglichst gross zu machen, hat man auch an Stelle der einfachen kegelförmigen Membran Membranen gebaut, die aus sich schneidenden Kegelflächen bestehen. Bei diesen Membranen ist im wesentlichen das unterteilte Schwingen unmöglich gemacht und somit die dadurch bedingten schädlichen Interferenzwirkungen beseitigt. Der Erfindung zugrunde liegende Versuche haben jedoch gezeigt, dass diese Art Membranen andere Nachteile aufweisen, die die Ursache dafür sind, dass trotz Vermeidung des unterteilten Schwingens eine verzerrungsfreie Wiedergabe nicht zu erzielen ist. Es treten nämlich, auch wenn die Membranen als Ganzes schwingen, Interferenzerscheinungen auf, die durch die Tiefenausdehnung der Membran bedingt sind und keineswegs zu vernachlässigen sind.
Denn die Tiefe einer Kegelmembran muss bei den bisher bekannten Formen praktisch ziemlich gross gewählt werden, da die Kegelöffnung zur Erzielung einer genügenden Schallstrahlung gross gemacht werden muss, mit Rücksicht auf die Steifigkeit des Kegels aber sein Öffnungswinkel nicht zu gross sein darf.
Das Zustandekommen dieser schädlichen Interferenzwirkungen ist in Fig. 1 an einer der üblichen Membranen von kegelförmiger Gestalt erläutert. 1 ist die kegelförmige Abstrahlfläche, an deren Spitze die durch den Pfeil 6 dargestellte Kraft angreift. Am äusseren Umfange des Kegels ist ein Ring 2 aus weichem Material, beispielsweise Samt, befestigt, der zwischen zwei Führungsringen 3,4 gehalten wird. Die Führungsringe 3, 4 sind am Gehäuse 5 des Lautsprechers angebracht. Infolge des Gangunterschiedes zwischen zwei Strahlen, die von verschiedenen Punkten der Kegelfläche ausgehen, treten nun die erwähnten schädlichen Interferenzen auf. Diese kommen vornehmlich in Richtung der Kegelachse zur Geltung.
Zwischen zwei Strahlen von bestimmter Wellenlänge, von denen beispielsweise der eine von der Spitze des Kegels (Pfeil 7) und der andere vom Kegelrand (Pfeil 8) ausgeht, besteht eine bestimmte Gangdifferenz, die in diesem Falle der Höhe h des Kegels entspricht. Ist der Gangunterschied gerade gleich einer halben Wellenlänge der abzustrahlenden Frequenz oder gleich einem ungradzahligen Vielfachen davon, so tritt völlige Auslöschung der beiden Strahlen ein. Ist die Kegelhöhe verhältnismässig gross, wie es bei den bisher bekannten Ausführungsformen der Fall ist, so tritt schon für verhältnismässig niedrige Frequenzen Auslöschung ein.
In Fig. 2 ist die Strahlung in Richtung der Kegelachse in Abhängigkeit von der Frequenz n und Kegelhöhe h bei konstantem Durchmesser der Kegelöffnung dargestellt im Verhältnis zur
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Strahlung bei entsprechender Kegelhöhe für sehr niedrige Frequenzen, bei denen solche Interferenzen infolge ihrer'verhältnismässig grossen Wellenlängen nicht auftreten können. Die in Richtung der Kegelachse abgestrahlte Energie E ist durch den Ausdruck gegeben
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wenn h die Kegelhöhe, X die Wellenlänge bedeutet.
Es ist aus der Abbildung zu ersehen, dass bei einer Tiefe von 8 cm, die bei den bekannten Lautsprecherausführungen zur Erzielung hinreichend grosser Strahlung unbedingt erforderlich-ist, für eine Frequenz it == 3000. Hertz nur noch etwa 30 % (Punkt 11), bei einer Frequenz von 5000-Hertz nur -noch'etwa'5 % (punkt 12) von der in Richtung der Kegelachse ausgestrahlten Energie zur Geltung kommen. Bei dieser Tiefe des Kegels wird also schon die Frequenz n = 3000 erheblich benachteiligt. Für die einwandfreie Wiedergabe von Sprache und Musik ist es jedoch notwendig, wenigstens Frequenzen bis zu 5 oder 6000 Hertz unverzerrt wiederzugeben.
Wählt man die Kegeltiefe so gering, dass die schädlichen Interferenzen für diese Frequenz noch im wesentlichen vermieden sind, also kleiner als die halbe Wellenlänge der höchsten wiederzugebenden Frequenz, so kommt man zu einem
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praktischen Forderungen weit zurückbleibende Schallabstrahlung.
Erfindungsgemäss wird daher ein im wesentlichen rotationssymmetrischer Membrankörper gewählt, dessen Schnitt durch die Rotationsachse einen mehrere Maxima und Minima aufweisenden Linienzug darstellt, der zwischen zwei gedachten parallelen Geraden verläuft, deren Abstand in Richtung der Membranachse kleiner ist als die halbe Wellenlänge der höchsten wiederzugebenden Frequenz, vorzugsweise kleiner als 3 cm.
Die antreibende Kraft wird dabei in bekannter Weise vorzugsweise so angeordnet, dass sie symmetrisch zur Rotationsachse angreift, zweckmässigerweise an der Schnittlinie der eine zusammenhängende Fläche bildenden Rotationskörper ; denn man kann sich den so geformten Membrankörper auch in bekannter Weise dadurch hergestellt denken, dass zwei oder mehrere Rotationskörper so ineinandergeschachtelt sind, dass sie eine zusammenhängende zerklüftete rotationssymmetrische Fläche ergeben. deren Tiefe dem angegebenen Wert entspricht. Auf diese Weise wird erreicht, dass trotz der geringen Tiefe der Membran eine sehr grosse abstrahlende Fläche hergestellt werden kann.
Durch die angegebene Formung der Membran ist es möglich, der verhältnismässig grossen Fläche zur Vermeidung des unterteilten Schwingens mindestens die gleiche Steifigkeit zn geben, wie sie die bekannten Membranausführungen mit grosser Membrantiefe aufweisen. Der Neigungswinkel zwischen der Senkrechten zur Kegelachse (die mit der Angriffsrichtung der Kraft zusammenfällt) und der gegebenen Kegelfläche wird zweckmässig gleich oder kleiner als 450 gemacht.
Ein besonderer Vorteil der geringen Tiefe der Membran besteht darin, dass die biegsame Festigkeit des äusseren Randes der Membran eine betriebsichere Führung der Membran darstellt und sich eine weitere Führung der Membran, wie sie beispielsweise bei elektrodynamisch angetriebenen Konuslautsprechern im allgemeinen durch ein am Eisenkern befestigtes elastisches Glied bewerkstelligt wird, erübrigt. Die Zentrierung gestaltet sich bei der erfindungsgemässen Membran also erheblich leichter als bei den bekannten Ausführungen. Zweckmässigerweise erfolgt der Antrieb der angegebenen Membran auf elektrodynamischem Wege. Naturgemäss kann die erfindungsgemässe Membran gleichfalls bei der Aufnahme akustischer Schwingungen (also für Mikrophon-Zwecke) benutzt werden.
In den Fig. 3,4, 5 sind Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes im Schnitt dargestellt. Die Fig. 3 und 4 beziehen sich auf den Fall, dass der Schnitt durch die Rotationsachse eine gebrochene gerade Linie ist, die sich aus den Graden 15 und 16 zusammensetzt.
Man kann sich diesen Membrankörper auch dadurch entstanden denken, dass in dem Kegelstumpf mit der Seitenfläche 15 der Kegel mit der Fläche 16 eingeschachtelt ist. An der Schnittlinie der beiden Kegelflächen ist eine Spule-M für elektrodynamischen Antrieb vorgesehen. An dem äusseren Rand der Fläche 15 ist ein Samtring 13 angesetzt, der in eine von zwei Führungsringen 9, 10 gebildete Rille eingespannt ist. Die Führungsringe 9 und 10 sind an dem Lautsprechergehäuse bzw. an der Abstrahlwand befestigt. Die Membranfläche ist rotationssymmetrisch zur Achse 17. In dem gezeichneten Beispiel ist die Tiefe der Membran, d. h. die Höhe des die Fläche 15 bildenden abgestumpften Kegels, nur 2 cm gross gewählt, so dass auch für eine Frequenz von 7000 Hertz keine schädliche Interferenzwirkung eintreten kann.
In Fig. 4 ist eine ähnliche Membranform wie in Fig. 3 dargestellt, jedoch hat die in Fig. 4
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gezeichnete Ausführungsform den Vorteil, dass infolge der Ineinanderschachtelung mehrerer Kegel bei der geringen Tiefe eine noch viel grössere Abstrahlfläche vorhanden ist.
In Fig. 5 ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt, bei dem sich der als Schnitt durch die Rotationsachse ergebene Linienzug aus ineinander übergehenden Kreisbögen zusammensetzt. In diesem Beispiel ist symmetrisch zur Rotationsachse der Ring 24 vorgesehen, der zur Übertragung der Kraft von einem elektromagnetischen Antriebssystem her dienen kann.
Die Kraft kann am ganzen Umfange des Ringes angreifen oder auch beispielsweise nur an vier symmetrisch zueinanderliegenden Punkten.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Membran zur Aufnahme und Wiedergabe akustischer Schwingungen, deren Längsschnitt einen zusammenhängenden Linienzug mit mehreren Maxima und Minima darstellt, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand des grössten Maximums und Minimums, gemessen in Richtung der Achse der Membran, kleiner als die halbe Wellenlänge der höchsten wiederzugebenden Frequenz, vorzugsweise gleich o. der kleiner als zirka 3 cm ist.
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Membrane for recording and reproducing acoustic vibrations.
It is known to use diaphragms which vibrate as a whole, so-called piston diaphragms, in order to achieve the best possible distortion-free reproduction of acoustic frequencies.
In the most frequently used embodiment, the membrane consists essentially of a conical radiating surface which is made relatively rigid and is flexibly suspended at its outer circumference. The attack of the driving force is placed in the direction of the cone axis so that only one component of the force acts perpendicular to the membrane surface. The diaphragms thus have the advantage over flat diaphragms that the divided oscillation of the diaphragm is largely avoided. This eliminates a major cause of distortion, since the subdivided oscillation causes interference between sound beams emanating from different points on the radiating surface.
In order to make the stiffness of the membrane as high as possible in order to avoid the subdivided oscillations, membranes have also been built in place of the simple conical membrane, which consist of intersecting conical surfaces. With these membranes, the divided oscillation is essentially made impossible and the harmful interference effects caused thereby are eliminated. Tests on which the invention is based have shown, however, that this type of membrane has other disadvantages which are the reason why distortion-free reproduction cannot be achieved despite the avoidance of the subdivided oscillations. This is because, even if the membranes vibrate as a whole, interference phenomena occur which are caused by the depth of the membrane and are by no means negligible.
Because the depth of a cone membrane has to be chosen to be quite large in practice with the shapes known so far, since the cone opening must be made large in order to achieve sufficient sound radiation, but with regard to the rigidity of the cone, its opening angle must not be too large.
The occurrence of these harmful interference effects is illustrated in FIG. 1 for one of the conventional membranes of conical shape. 1 is the conical radiating surface, at the tip of which the force shown by arrow 6 acts. A ring 2 made of soft material, for example velvet, is attached to the outer circumference of the cone and is held between two guide rings 3, 4. The guide rings 3, 4 are attached to the housing 5 of the loudspeaker. As a result of the path difference between two rays emanating from different points on the conical surface, the aforementioned harmful interference now occurs. These mainly come into play in the direction of the cone axis.
Between two rays of a certain wavelength, one of which emanates from the tip of the cone (arrow 7) and the other from the edge of the cone (arrow 8), for example, there is a certain path difference, which in this case corresponds to the height h of the cone. If the path difference is exactly half a wavelength of the frequency to be emitted or an odd multiple of it, the two beams are completely extinguished. If the height of the cone is relatively large, as is the case with the previously known embodiments, extinction occurs even at relatively low frequencies.
In Fig. 2, the radiation in the direction of the cone axis is shown in relation to the frequency n and cone height h with a constant diameter of the cone opening in relation to
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Radiation with a corresponding cone height for very low frequencies at which such interferences cannot occur due to their relatively large wavelengths. The energy E radiated in the direction of the cone axis is given by the expression
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if h is the height of the cone, X is the wavelength.
It can be seen from the figure that at a depth of 8 cm, which is absolutely necessary with the known loudspeaker designs to achieve sufficiently high radiation, for a frequency it == 3000 Hertz only about 30% (point 11), at a frequency of 5000 Hertz, only about 5% (point 12) of the energy radiated in the direction of the cone axis can be used. At this depth of the cone, the frequency n = 3000 is already considerably disadvantaged. For the correct reproduction of speech and music, however, it is necessary to reproduce at least frequencies up to 5 or 6000 Hertz without distortion.
If you choose the depth of the cone so small that the harmful interference for this frequency is still essentially avoided, i.e. smaller than half the wavelength of the highest frequency to be reproduced, you arrive at one
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practical demands far behind sound radiation.
According to the invention, an essentially rotationally symmetrical membrane body is selected, the section of which through the axis of rotation represents a line with several maxima and minima, which runs between two imaginary parallel straight lines whose distance in the direction of the membrane axis is less than half the wavelength of the highest frequency to be reproduced, preferably less than 3 cm.
The driving force is preferably arranged in a known manner in such a way that it acts symmetrically to the axis of rotation, expediently on the line of intersection of the rotating bodies forming a coherent surface; because the membrane body shaped in this way can also be imagined to be produced in a known manner in that two or more rotational bodies are nested in one another in such a way that they result in a coherent, fissured, rotationally symmetrical surface. whose depth corresponds to the specified value. In this way it is achieved that a very large radiating surface can be produced despite the small depth of the membrane.
The specified shape of the membrane makes it possible to give the relatively large surface at least the same rigidity zn as the known membrane designs with a large membrane depth to avoid the subdivided oscillation. The angle of inclination between the perpendicular to the cone axis (which coincides with the direction of application of the force) and the given conical surface is expediently made equal to or less than 450.
A particular advantage of the small depth of the diaphragm is that the flexible strength of the outer edge of the diaphragm represents a reliable guide for the membrane and further guidance of the membrane, as is generally the case with electrodynamically driven cone speakers, for example, by an elastic member attached to the iron core is accomplished, superfluous. Centering is therefore considerably easier in the membrane according to the invention than in the known designs. The specified membrane is expediently driven by electrodynamic means. Naturally, the membrane according to the invention can also be used for recording acoustic vibrations (that is, for microphone purposes).
In FIGS. 3, 4, 5, exemplary embodiments of the subject matter of the invention are shown in section. 3 and 4 relate to the case where the section through the axis of rotation is a broken straight line which is composed of the degrees 15 and 16.
This membrane body can also be thought of as having arisen in that the cone with the surface 16 is nested in the truncated cone with the side surface 15. A coil-M for electrodynamic drive is provided at the intersection of the two conical surfaces. A velvet ring 13 is attached to the outer edge of the surface 15 and is clamped in a groove formed by two guide rings 9, 10. The guide rings 9 and 10 are attached to the loudspeaker housing and the radiating wall, respectively. The membrane surface is rotationally symmetrical to the axis 17. In the example shown, the depth of the membrane, i. H. the height of the truncated cone forming the surface 15, selected to be only 2 cm large, so that no harmful interference can occur even for a frequency of 7000 Hertz.
FIG. 4 shows a membrane shape similar to that in FIG. 3, but that in FIG. 4
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The embodiment shown has the advantage that due to the nesting of several cones at the shallow depth, an even larger radiating surface is available.
In FIG. 5, an exemplary embodiment of the invention is shown in which the line drawn as a section through the axis of rotation is composed of circular arcs merging into one another. In this example, the ring 24 is provided symmetrically to the axis of rotation, which ring can serve to transmit the force from an electromagnetic drive system.
The force can act on the entire circumference of the ring or, for example, only on four symmetrical points.
PATENT CLAIMS:
1. Membrane for recording and reproducing acoustic vibrations, the longitudinal section of which represents a coherent line with several maxima and minima, characterized in that the distance between the largest maximum and minimum, measured in the direction of the axis of the membrane, is less than half the wavelength of the highest to be reproduced Frequency, preferably equal to or smaller than about 3 cm.