<Desc/Clms Page number 1>
Schallumsetzungsvorriehtung.
Die Erfindung bezieht sich auf Schallumsetzungsvorrichtungen und insbesondere auf Enrichtungen zur Erhöhung der Wiedergabsfähigkeit solcher Vorrichtungen für die niederen Frequenzen, wodurch die tieferen Töne von Sprache und Musik naturgetreuer und in richtigerem Verhältnis zu den höheren Tönen wiedergegeben werden, als dies bisher möglich war.
Man kann bei Schallumsetzungsvorriehtungen mit einer Membran, deren eine Seite der Luft ausgesetzt ist, die andere der Luft nicht ausgesetzte Fläche der Membran durch eine Fluidumkammer einschliessen, von der ein Durchgangsweg zu der ausgesetzten Fläche der Membran führt. Gemäss der Erfindung wird nun die Masse des Fluidums, das in diesem Durchgangsweg enthalten ist, im wesentlichen der wirksamen Masse der Membran gleich gemacht.
Bei einer Ausführungsform der Erfindung in ihrer Anwendung auf einen Lautspreeherempfänger hat der akustische Weg von der hinteren Oberfläche zur vorderen Oberfläche der Membran bei seinem Auslass in nächster Nähe zur Membran wesentlich die gleiche Fläche wie die Membran und stellt ein akustisches Filter dar.
Gemäss einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind die Fluidumkammer und der Durchgangsweg so bemessen, dass von der eingeschlossenen Fläche der Membran ausgehende Schwingungen um 180 in der Phase verschoben werden, bevor sie die der ausgesetzten Membranfläche zunächstliegende Luftschicht erreichen.
Gemäss einer weiteren Ausführung der Erfindung werden die Kammer und der Durchgang derart bemessen, dass das darin enthaltene Fluidum ein Steifheits-bzw. Masseelement eines akustischen Filters bildet, das derart proportioniert ist, dass bei Betätigung der Membran zur Erzeugung akustischer Schwingungen die durch beide Oberflächen der Membran erzeugten Schwingungen, besonders jene der niederen Frequenzen, sich gegenseitig verstärken, um die Wiedergabefähigkeit der Schallumsetzungsvorrichtung zu erhöhen.
Die Erfindung wird an Hand der Zeichnungen beschrieben, in denen die Fig. 1 eine Vorderansicht einer Schallumsetzungsvorrichtung gemäss der Erfindung ist. Fig. 2 ist eine Ansieht im Schnitt längs der Linie 2-2 der in Fig. 1 gezeigten Vorrichtung. Fig. 3 zeigt eine vereinfachte Skizze der in Fig. 1 und 2 gezeigten Vorrichtung. Fig. 4 veranschaulicht den Impedanzkreis der in den Fig. 1 und 2 gezeigten Vorrichtung. Fig. 5 zeigt die Kurven der Betätigungscharakteristiken einer Schallumsetzungsvorrichtung, wie eine solche in Fig. 1 gezeigt ist. Fig. 6 zeigt teilweise in Schnitt eine Ansicht einer andern Ausführungart der Erfindung. Fig. 7 zeigt eine Vorderansicht einer ändern Ausführungsart der Erfindung. Fig. 8 ist eine Ansicht im Schnitt längs der Linie 8-8 der in Fig. 7 gezeigten Ausführungsart.
Fig. 9 zeigt im Schnitt ein die Merkmale der Erfindung aufweisendes Fernsprechmikrophon. Fig. 10 ist eine Analogie der elektrischen Schaltung der bei der Betätigung der in Fig. 9 gezeigten Vorrichtung beteiligten akustischen Elemente. Fig. 11 ist eine Analogie der elektrischen Schaltung der bei der Betätigung einer der Fig. 9 ähnlichen Vorrichtung beteiligten akustischen Elemente, wenn diese Vorrichtung die Merkmale der Erfindung nicht aufweist. Fig. 12 zeigt Kurven der Betätigungscharakteristiken in dem unteren Teil des Frequenzbereichs der in Fig. 9 gezeigten Vorrichtung und von der gleichen Vorrichtung, bei der die Merkmale der Erfindung nicht angewendet sind.
Die unteren Kurven in Fig. 12 zeigen die berechnete Masse einer Luftsäule in Gramm in bezug auf die Frequenz in Hertz, während die oberen Kurven die berechnete Ansprechweite in Dezibel in bezug auf die Frequenz in Hertz zeigen. Endlich zeigt Fig. 13 typische Allgemeinwiedergabscharakteristiken der in Fig. 9 gezeigten Vorrichtung bei Verwendung und bei Nichtverwendung der Erfindungsmerkmale.
EMI1.1
gestellt, welche die Erfindungsmerkmale aufweist und aus einem Gehäuse 1 besteht, das hier in rechteckiger und kastenförmiger Form gezeigt ist und dessen Wandelelemente durch Schrauben 3 zusammengehalten werden ; das Gehäuse 1 bildet eine Fluidumkammer 5 hinter einem Schwingungselement, der Membran 7.
Die Membran 7 kann aus leichtem Material, z. B. einer Legierung aus Aluminium oder anderm geeignetem Material, sein. Sie enthält einen gewölbten Mittelteil mit einem diesen umgebenden verkehrt gewölbten Teil, der in einem flachen Auslauf endet. Die Membran ist in einer Öffnung in der Vorderwand des Gehäuses 1 gelagert und an ihrem Umfang an der Wand zwischen Montierungsgliedern 8 auf irgendeine geeignete Weise, z. B. durch Schrauben M, befestigt. Die Stromspule 9 ist an der innern oder hinteren Fläche der Membran angebracht und befindet sich in dem magnetischen Luftspalt. ?, der vom Magnet 10 gebildet wird, der entweder von der Art eines permanenten Magneten oder eines Elektromagneten sein kann.
Der mittlere Polteil 17 des Magneten ist vorzugsweise hohl, wodurch ein Durchgang 11 vorgesehen
<Desc/Clms Page number 2>
wird, so dass die von dem hinteren Flächenteil der Membran innerhalb der Antriebsspule 9 ausgesendeten Schallschwingungen ohne weiteres in die Kammer 5 gelangen können. Der Magnet 10 ist auf dem Kreuzstück 13 gelagert, das seinerseits an einer Mehrzahl von Trägern 12 angebracht ist, die an der inneren Fläche der Vorderwand 7 befestigt sind.
Die inneren Oberflächen der Wände der Kammer 5 sind vorzugsweise mit Lagen aus Haarfilz oder anderm geeignetem schallaufnehmendem Material von solcher Stärke ausgekleidet, dass die von der hinteren Fläche der Membran abgegebenen Schallausstrahlungen der hohen Frequenzen nicht zurückgeworfen werden können, die niederen Frequenzen aber im wesentlichen keine Dämpfung erfahren. Durch eine Mehrzahl von röhrenförmigen Gliedern- die an beiden Enden offen sind, wird ein Auslass von der Kammer 5 zn der an der vorderen Fläche der Membran befindlichen Luft vorgesehen. Diese röhrenförmigen Glieder sind vorzugsweise so nahe als möglich an dem Umfang der Membran angeordnet.
Wie dargestellt, ist das eine Ende jedes röhrenförmigen Gliedes im wesentlichen in einer Ebene mit der Vorderwand 7J des Gehäuses und sein anderes Ende ragt in die Kammer 5 hinein. Die die Spule 9 durchfliessenden Ströme erzeugen ein veränderliches Feld, das mit dem unveränderlich starken Feld des Magnets 10 zusammenwirkt. Sobald die Spule 9 durch diese Ströme bewegt wird und die Membran zum Schwingen bringt, bewirken sowohl die Vorder-als auch die Hinterfläche der Membran, dass akustische Schwingungen durch das anliegende Fluidum fortgepflanzt werden.
Die durch die hintere Fläche der Membran erzeugten Schallwellen, insbesondere die niederer Frequenzen, werden durch die Kammer und die Auslässe geführt, um sich mit den von der Vorderfläche der Membran erzeugten Schallwellen zu vereinigen und sie in den tieferen Frequenzen zu verstärken.
Zwecks bessererVerständlichmaehung der Erfindung folgt eine Erörterung der bei ihrerWirkungsweise und Anwendung auf den Lautsprecherempfänger der Fig. 1 und 2 auftauchenden theoretischen Fragen.
Theorie und Messungen zeigen, dass im allgemeinen die direkt aussendende Type des Lautsprechers von normaler Grösse eine verhältnismässig geringe Wiedergabsfähigkeit und eine unzulängliche Kraftausgangsleistung bei niederen Frequenzen hat. Bei dem Verfahren gemäss dieser Erfindung und mit der oben beschriebenen Konstruktion zur Erhöhung der Wiedergabsfähigkeit von Lautsprechern bei niederen Frequenzen werden beide Seiten der Membran 7 benutzt und der Ausstrahlungswiderstand pro Flächeneinheit der Membran wird dadurch erhöht. Mittels akustischer Steifheit und Masse wird die Luftverdrängung vom Rückteil der Membran in der Phase um ungefähr 1800 verschoben und an der Vorderseite der Membran ausgelassen.
Die akustische Steifheit wird durch den Luftgehalt in der Kammer 5 an der Rückseite der Membran und die akustische Masse aus der Luft in dem Auslassgang erhalten, der die Wege 6 in den röhrenförmigen Gliedern 4 enthält, die aus der Kammer zur Vorderseite der Membran führen. Die Phasenbeziehung der Massengeschwindigkeit der Membran und der Luft in der Durchgangs- öffnung ist etwas ähnlich derjenigen in einem elektrischen Filter für den Durchlass niederer Frequenzen, in dem Ströme über der Grenzfrequenz des Filters in den zwei angrenzenden in Reihe geschalteten Armen (die kleine Widerstände enthalten) nahezu 1800 phasenverschoben sind.
Was die Ausgangsleistung betrifft, unterscheidet sich das akustische System ausserordentlich vom elektrischen Filter, indem der Ausstrahlungswiderstand und die Luftmasse der Membran und der entsprechende Ausstrahlungswiderstand und die Luftmasse des Durchgangs einander entgegenwirken und ausserdem ihre akustischen Impedanzen sich mit der Frequenz ändern. Eine Lösung dieses Problems ist ziemlich kompliziert, jedoch kann durch einige vereinfachende Annahmen eine allgemeine Idee des Verstärkungsgrades in der Schallausgangsleistung erhalten werden.
Wenn der Flächenraum des Durchgangs gleich dem wirksamen Flächenraum der Membran und eine solche Frequenz genommen wird, dass die Schwingungsgeschwindigkeit der Membran gleich ist der Schwingungsgeschwindigkeit der Luft in dem Durchgang, dann wird der wirksame Ausstrahlungsflächenraum verdoppelt und der Ausstrahlungswiderstand pro Flächeneinheit wird im Vergleich zu jenem der allein wirkenden Membran verdoppelt. Demnach wird für die gleiche Amplitude der Membran in den beiden Fällen die Ausgangsleistung um ungefähr 6 Deeibel (im nachstehenden abgekürzt Db") höher sein, wenn die Durchgänge offen sind.
Bei Herabsetzung der Frequenz wird sich die Luftgeschwindigkeit im Durchgang in bezug auf jene Membran erhöhen, so dass auf diese Weise eine sieh erhöhend grössere Widerstandsbelastung auf die Membran aufgedrückt wird gegenüber jener, die bei geschlossenem Durchgang erreicht würde. Dies ergibt einen steigend grösseren Verstärkungsgrad bis zur Grenze des akustischen Systems. Oberhalb der Frequenz, wo eine Zunahme von 6 Db erhalten wird, wird die Geschwindigkeit im Durchgang mit dem Zunehmen der Frequenz so lange abnehmen, bis die Geschwindigkeit im Durchgang 0 ist. Oberhalb dieser Frequenz wird der Lautsprecher im wesentlichen so wirken, als ob der Durchgang geschlossen wäre.
Eine vereinfachte Theorie der Wirkungsweise dieses akustischen Phasenverschiebungssystems wurde ausgearbeitet und ungefähre Gleichungen für den Fall formuliert, in dem der Querschnitt des Durchgangs gleich ist der wirksamen Fläche der Membran und die Masse des mechanischen Bewegungselementes (Membran + Spule) gleich ist der Luftmasse im Durchgang.
Die Wiedergabsfähigkeit eines an die Ausgangsleistung einer Vakuumröhre angeschlossenen Lautsprechers kann in Einheiten der akustischen Leistung ausgedrückt werden, die ausgestrahlt wird, wenn eine konstante Spannung in Reihe mit der elektrischen Impedanz der Antriebsspule und der Impedanz der Quelle aufgedrückt wird. Die akustische Leistung wird erhalten durch Ableitung eines Ausdrucks
<Desc/Clms Page number 3>
für die Geschwindigkeit der Membran und der Luft in dem Durchgang in Einheiten der akustischen ? Impedanz und aufgedruckten konstanten Spannung im elektrischen Stromkreis und durch Ableitung eines Ausdrucks für die akustische Impedanz der Luft und der gegenseitigen Impedanz, die durch die Geschwindigkeit der Membran und Geschwindigkeit der Luft in der Öffnung bewirkt wird.
Die Ausgangsleistung ist sodann die Summe der Produkte des Quadrats dieser Geschwindigkeiten und der entsprechenden Widerstände.
Die Fig. 3 und 4 zeigen eine vereinfachte Skizze des Lautsprechers und seines gleichwertigen Stromkreises. Fig. 3 zeigt nur eine einzelne Öffnung 18, die aus der Kammer hinter der Membran führt, jedoch sind die theoretischen Erwägungen die gleichen, ob nun eine oder mehrere Öffnungen verwendet werden, wenn von den hier in Betracht gezogenen Flächenbeziehungen nicht abgewichen wird.
Um die Berechnungen zu vereinfachen, wurden folgende Annahmen gemacht : (1) der Querschnitt des Auslassdurchganges von der Kammer ist gleich der wirksamen Fläche der Membran, (2) die Luftmasse in der Öffnung ist gleich der wirksamen Masse des sich bewegenden Elementes und, (3) die Wellenlängen der in Betracht gezogenen Frequenzen sind im Vergleiche zu den Abmessungen des akustisehen Systems lang.
Es sei
EMI3.1
EMI3.2
EMI3.3
EMI3.4
EMI3.5
jim = Masserückwirkung der Membran = Masserückwirkung der Luft in der Öffnung. V, V1, V2 = Geschwindigkeiten in verschiedenen Teilen des akustisch-mechanischen Systems.
EMI3.6
EMI3.7
EMI3.8
EMI3.9
drücke für die Impedanz sind daher nur annähernd richtig.
Bei Anwendung der Kirchhoffschen Gesetze auf die Schaltung in Fig. 4 ergibt sich :
EMI3.10
Wenn Z = t'+ jx, dann ist die akustische Ausgangsleistung :
EMI3.11
EMI3.12
EMI3.13
Wenn man diesen Wert in Gleichung (1) einsetzt und F in Einheiten von E ausdrückt und durch 107 dividiert, bekommt man die akustische Ausgangsleistung in Watt.
EMI3.14
<Desc/Clms Page number 4>
EMI4.1
EMI4.2
EMI4.3
worin : p = Dichte des Fluidums, C = Schallgeschwindigkeit, S = Fläche der als Kolben gedachten Membran, X = Widerstandsfaktor der als Kolben gedachten Membran, V == Rückwirkungsfaktor der als Kolben gedachten Membran.
Dieser Versuchslautsprecher war konstruktiv ein solcher, wie er mit Bezug auf die Fig. 1 und 2
EMI4.4
gross war. Rund um die Membran und in nächster Nähe derselben waren 13 Löcher von 76 mm Durchmesser im gleichen Abstand voneinander vorgesehen, in die röhrenförmige Glieder aus Phenolfiber in der Länge von 152 mm eingepasst waren. Diese Röhren wurden benutzt, weil ihre Konstruktion einfacher befunden wurde als die einzelne Öffnung für den Lautsprecherkasten. In diesem besonderen Ausführungsbeispiel der Erfindung gab der Luftinhalt in der Kammer 5 und in den röhrenförmigen Gliedern 4 eine akustische Steifheit bzw. Masse, die eine Grenzferquenz von 40 Perioden hatte.
Die Ordinaten und Abszissen des in Fig. 5 gezeigten Graphikons sind Wiedergabsfähigkeit in Decibel bzw. Frequenz in Perioden pro Sekunde, und die Kurven in voller Linie und strichpunktierter Linie zeigen die zu erwartende Schallausgangsleistung, wenn eine Lautsprechervorriehtung, wie sie oben beschrieben wurde, mit Durchgangswegen, die die Vorder-und Hinterflächen der Membran verbinden, in geschlossenem bzw. offenem Zustand betrieben wird, wobei die Quellenimpedanz gleich ist der doppelten Impedanz der an die Membran des Lautsprechers angebrachten Spule. Diese Kurven wurden aus Aus- gangsleistungs-Berechnungen, die auf der obigen Formel (2) basieren, gezeichnet.
Die strichlierte Kurve ist durch Werte der Wiedergabsfähigkeit bei bestimmten Frequenzen bestimmt, die erhalten wurden, indem die Differenz zwischen gemessenen Werten der Wiedergabsfähigkeit für den Lautsprecher bei offenen und geschlossenen Durchgangswege genommen und die berechnete Wiedergabsfähigkeit für den Lautsprecher bei geschlossenen Durchgangswege als Grundlinie benutzt wurde. Aus diesen Kurven ist zu ersehen, dass die wirkliche Wiedergabsfähigkeit beinahe mit der theoretisch zu erwartenden Ansprechfähigkeit übereinstimmt. Wenn gewünscht wird, irgendeinen ausgeprüften Höchstwert in der Wiedergabsfähigkeit nahe der Grenze zu vermeiden, kann akustisches Dämpfungsmaterial in den Durchgang gegeben werden.
Es ist ersichtlich, dass die Erfindung nicht nur die relative Wiedergabsfähigkeit steigert, sondern auch die Schallausgangsleistung von direkt wirkenden Lautsprechertypen für die niederen Frequenzen erhöht. Die von einem Lautsprecher bewirkte Luftverschiebung ist mit diesem akustischen System grösser als die Membranverschiebung, und das Verhältnis der Luftverschiebung zur Membranverschiebung nimmt in gleicher Masse zu wie die Frequenz abnimmt, wodurch die Abnahme des Ausstrahlungswiderstandes zum grossen Teile kompensiert wird.
Da direkt wirkende Lautspreeher in ihrer Ausgangsleistung durch die Amplitude der Bewegung der Membran bei niederen Frequenzen begrenzt sind, so ist die Wichtigkeit dieses akustischen Systems augenscheinlich, wenn man die grossen akustischen Leistungen, die von den langen Pfeifen der Orgel hervorgebracht werden, und die Niederfrequenzinstrumente des Orchesters in Betracht zieht. Die Erfindung ermöglicht die Wiedergabe der niederen Frequenzen von Sprache und Musik in zu den hohen Frequenzen richtigerem Verhältnis als dies bisher der Fall war.
Es ist zu bemerken, dass die Beschreibung des gemäss der Erfindung gebauten Versuchslaut- sprechers nur Veranschaulichungszwecken dient und den Erfindungsbereich nicht einschränken soll ; ebensowenig soll die Angabe des wünsehenswert erscheinenden Verhältnisses zwischen der Membranfläche und einem Durchgange der die Fluida an jeder Seite der Membran verbindet, sowohl wie zwischen der Masse des Fluidums in dem Durchgang und der Membran und Spule nicht zu einer Beschränkung konstruiert werden. Dem Fachmann wird es klar sein, dass Änderungen in Konstruktion und Verhältnissen gemacht werden können, ohne von dem Wesen der Erfindung abzuweichen.
Fig. 6 zeigt eine Seitenansicht einer andern Ausführungsart der Erfindung teilweise im Schnitt.
An Stelle eines rechteckigen Gehäuses hinter der hinteren Fläche der Membran ist ein zylindrisches Gehäuse 22, das aus Metall sein kann, an einer ringförmigen Frontplatte 24 angebracht, die ähnlich wie in Fig. 2 eine Membran und mehrere röhrenförmige Glieder 4 trägt, die einen Durchgang aus dem Innern der Kammer 28 herstellen, die von dem Gehäuse 22 und seinem gewölbten Boden 27 in gleicher Weise gebildet wird, wie dies mit Bezug auf die Fig. 1 und 2 beschrieben wurde. Der Magnet 10 wird von einem Kreuzstück 19 getragen, das an seinen Enden an Winkelstücken 29 angebracht ist, die ihrerseits an die
<Desc/Clms Page number 5>
innere Wandung des Gehäuses 22 genietet oder sonstwie befestigt sind.
Der Boden 27 des Gehäuses 22 ist vorzugsweise etwas gewölbt, um der Möglichkeit einer Trommelkopfwirkung vorzubeugen, wenn der Lautsprecher in Tätigkeit ist, und das Gehäuse 22 ist vorzugsweise zylindrisch, um die Wirkung der Eigenschwingung seiner Wände im wesentlichen auszuschalten.
Eine andere konstruktive Form des Erfindungsgegenstandes zeigen die Fig. 7 und 8. Eine zylindrische Trommel 31 mit einem etwas gewölbten Boden 39 und einer ringförmigen Vorderwand 3ss0. an die erstere mit Bolzen 40 befestigt ist, stellt ähnlich wie in Fig. 2 eine Luftkammer. 32 hinter einer Membran 7 her, an die eine Stromspule 9 befestigt ist, die im magnetischen Luftspalt eines Magneten 10 angeordnet ist, der ebenso wie in Fig. 2 dargestellt mit einem hohlen Mittelpol versehen ist. Die durch Trennungsglieder 38 in Abstand gehaltenen zylindrischen Röhren 3. 3 und 84 stellen einen ringförmigen Durchgang 35 her, der die Kammer 32 mit der Luft an der Vorderfläche der Membran 7 verbindet.
Der
EMI5.1
ist, die ihrerseits an der inneren Fläche der Röhre 33 befestigt sind. Die Membran, deren Betätigungs- mechanismus und die im Abstand gehaltenen Röhren 33 und 84 können alle von der Vorderwand 30 der Kammer 32 getragen werden, indem sie, wie dargestellt, durch Schrauben 37 an dieselbe befestigt werden. Die Luft in der Kammer 32 und jene zwischen den Röhren 33 und 34 hat eine derartige Steifheit bzw. Masse, dass sie Elemente eines akustischen Filters bildet, wodurch die Schallschwingungen, die von beiden Oberflächen der Membran erzeugt werden, bei den niederen Frequenzen so wirken, dass sie sich gegenseitig verstärken, wodurch die relative Wiedergabsfähigkeit und die Ausgangsleistung der Vor- richtung in der Zone der niederen Frequenzen erhöht wird.
Die Erfindung ist nicht auf ihre Anwendung auf Schallumsetzungsvorrichtungen zur Wieder- gabe von Schall begrenzt, sondern kann auf Schallumsetzungsvorriehtungen zur Umwandlung akustischer
Schwingungen in elektrische Schwingungen angewendet werden. In Fig. 9 ist ein Mikrophon der Type mit beweglicher Spule dargestellt, die eine Magnetkonstruktion 50 enthält, die vorzugsweise von der
Dauermagnettype ist und ein Mttelpolstück 62 hat, an welche mittels der Schraube 6. 3 ein gewölbtes
Polstück 51 befestigt ist.
Das andere Polstück besteht aus einer ringförmigen Platte 56, die mittels
Schrauben an dem Magnet befestigt ist und eine Mittelöffnung hat, deren Begrenzungswand in Abstands- beziehung zum Polstück 51 steht, wodurch ein magnetischer Luftspalt hergestellt wird, in dem eine an der Membran 60 angebrachte Stromspule 61 angeordnet ist. Die Membran 60 hat einen gewölbten Mittel- teil, der von einem flachen Teil umgeben und vorzugsweise aus einem leichten Metall, z. B. einer Legierung aus Aluminium, ist, obgleich irgendein anderes geeignetes Material hiefür benutzt werden kann.
Den oberen Teil des Mittelpoles und den Magnet umgebend, unmittelbar unter dem Polstück 51, befindet sich ein ringförmiges Glied 52, das eine kleine Luftkammer 65 unter der beweglichen Spule bildet, von der ein schmaler Durchgangsweg in den Hohlteil, die Kammer 5. 3, des Magnets führt. Die Membran 60 ist an ihrem Umfang gelagert und zwischen Ringgliedern 55 und 59 durch Schrauben 58 geklemmt. die in die Platte 56 eingeschraubt sind. Der Ring 55 ist mit einer nach innen verjüngten Fläche 67 versehen, um die Erhöhung des Druckes auf die Membran, der durch die Resonanz der Kammer oberhalb der
Membran verursacht wird, im wesentlichen hintanzuhalten.
Durch eine in den Ringgliedern 55 und Åa9, der Membran 60 und der Platte 56 vorgesehene Öffnung erstreckt sich eine Röhre 54, die in die Kammer 5. 3 des Magnets hineinragt und dadurch einen Verbindungsweg 64 zwischen dem Innern der Kammer und der an der Vorderfläche der Membran befindlichen Luft herstellt.
Die Wirkungsweise dieser Vorrichtung als Schallumsetzungsinstrument zur Umwandlung aku- stischer Schwingungen in elektrische Schwingungen ist wie folgt :
Die akustischen Schwingungen werden der Vorderfläche der Membran aufgedrückt, so dass ein
Teil derselben gegen dieselbe wirkt und ein anderer Teil durch die Röhre 54 in die Kammer 53 gelangt und auf die hintere Fläche der Membran wirkt. Diejenigen Schwingungen jedoch, die auf die hintere
Oberfläche der Membran wirken, werden derart in der Phase und Amplitude geändert, dass sie eine Ver- stärkung der Wirkung der auf die Vorderfläche der Membran aufgedrückten Schwingungen bewirken, wodurch die Schwingungsamplitude der Membran vergrössert wird.
Diese verstärkende Wirkung ist besonders bei niederen Frequenzen wichtig und bedeutet eine grosse Erhöhung der Wiedergabsfähigkeit der Vorrichtung gegenüber der Wiedergabsfähigkeit, im Falle das Erfindungsmerkmal nicht angewendet wird. Es ist natürlich klar, dass, wenn akustische Schwingungen auf die Membran aufgedrückt werden, sich entsprechend diesen akustischen Schwingungen ändernde Ströme in der Spule 61 erzeugt werden, da sich die letztgenannte in dem durch Magnet 50 hergestellten Feld bewegt.
Es ist offenbar, dass die eben beschriebene Methode zur Erhöhung der Wiedergabsfähigkeit des
Mikrophons bei den niederen Frequenzen gleich jener ist, die mit Bezug auf Fig. 1 und 2 für die Er- höhung der Wiedergabsfähigkeit eines Lautsprechempfängers beschrieben wurde. Eine bessere Ver- ständlichmachung der Erfindung in ihrer Anwendung auf ein Mikrophon mit beweglicher Spule wird durch die im folgenden gegebene Betrachtung der bei seiner Betätigung massgebenden Faktoren ermöglicht.
Die durch ein Mikrophon mit beweglicher Spule erzeugte Spannung ist proportional der Ge- schwindigkeit der Membran. Diese Tatsache macht das Problem, eine gleichmässige Wiedergabsfähigkeit
<Desc/Clms Page number 6>
bis herunter zu den niederen Frequenzen zu erhalten, bei einem Mikrophon von praktischer Empfindichkeit schwierig. Das heisst, die Membran muss entweder eine sehr geringe Steifheit haben oder es muss rgend etwas vorgesehen sein, um die Wirkung der niederfrequenten Schallwellen auf die Membran in 3eziehung auf die der höheren Frequenzen zu verstärken. Durch die hier beschriebene Methode wird lie auf die Membran wirkende Kraft bei niederen Frequenzen genügend verstärkt, um die Rückwirkung ler Randsteilheit bis herunter zu verhältnismässig niederen Frequenzen zu kompensieren.
Diese Methode ermöglicht die Aufrechterhaltung einer gleichmässigen Wiedergabsfähigkeit zwei Oktaven unter der Frequenz, bei welcher die Randsteifheit der Membran eine Abnahme der Wiedergabscharakteristik les Mikrophons zu verursachen anfängt.
Die auf die Membran bei niederen Frequenzen wirkende Kraft wird mittels der Verbindungsröhre 54 zwischen der Vorderseite der Membran 60 und der Kammer 53 hinter der Membran erhöht, wodurch der Druck an der Vorderseite der Membran, nachdem er sowohl in der Amplitude wie auch in der Phase verändert wurde, der Rückseite der Membran aufgedrückt wird. Die Amplitude und Phase des Druckes auf die Rückseite der Membran werden durch die akustischen Konstanten der Luft in der Röhre und Kammer gesteuert. Fig. 9 zeigt das Mikrophon mit dem offenen Ende der Verbindungsröhre nahe zur
EMI6.1
Äquivalenzschaltbild, angewandt auf die mechanischen und akustischen Konstanten des Mikrophons unter Druck.
Fig. 11 ist ein Schaltbild des in Fig. 9 dargestellten Mikrophons ohne der Röhre 54. Ein Vergleich dieser beiden Figuren zeigt sofort die durch Einsetzung der Röhre bewirkte Veränderung. Die kleine Luftkammer zwischen der Membran und dem akustischen Widerstand R ist in den Bildern der Fig. 10 und 11 weggelassen worden, weil ihre Wirkung bei niederen Frequenzen vernachlässigbar ist.
Aus Einfachheitsgründen wurden der Druck und die Konstanten des Mikrophons auf die wirksame Fläche der Membran bezogen ; z. B. ist die Kraft F gleich dem freien Luftdruck an der Membran multipliziert mit der wirksamen Fläche der Membran.
Die durch die bewegliche Spule des Mikrophons erzeugte Wiedergabe oder die'Spannung ist proportional zur Geschwindigkeit der Membran dividiert durch die Kraft der Membran. Wenn man dieses Verhältnis in Formeln der mechanischen und akustischen Konstanten des Mikrophons ausdrückt, erhält man
EMI6.2
worin m. = die wirksame Masse der Membran, Masse der Spule und Masse der Luft in der Widerstandsspalte auf die Membran bezogen, 80 = die Randsteifheit der Membran, ss = der Widerstand der Luftspalte auf die Membran bezogen, 8 = die Steifheit der Luft in der Mikrophonkammer bezogen auf die Membran, R und m = die Impedanz der Luft in der kompensierenden Röhre, auf die Membran bezogen, ist.
Beim Berechnen der Luftimpedanz in der Röhre wurde gefunden, dass der Radius (ro) der Röhre einen
EMI6.3
EMI6.4
EMI6.5
EMI6.6
EMI6.7
diesen Kurven wurde gefunden, dass für eine Röhre von 3 cm Länge die Masse und der Widerstand auf die Membran bezogen 6'4 g bzw. 600 Ohm bei ungefähr 50 Perioden ist. Es ist genügend genau, wenn man diese Durchschnittswerte der Impedanz in der Ansprechfähigkeitsgleichung (3) benutzt.
Die gemessenen und errechneten Konstanten eines gemäss der Erfindung konstruierten Mikrophons waren :
<Desc/Clms Page number 7>
EMI7.1
Wenn man diese Werte in der Gleichung (3) einstellt und die Lösung nach absoluten Werten vornimmt, erhält man die in Fig. 12 dargestellte obere Kurve A in voller Linie, ausgeführt mit Decibel als Ordinaten und Frequenz in Perioden pro Sekunde als Abszissen.
Wenn die Röhre 54 geschlossen ist, reduziert sieh die Gleichung (3) auf
EMI7.2
Werden die obigen Werte nunmehr in Gleichung (4) eingesetzt, dann erhält man die in Fig. 12 : gezeigte untere Kurve B. Es zeigt daher die berechnete Kurve A, wie dies bei Anwendung der vorliegenden Erfindung (d. h. wenn die Öffnungen 54 offen sind) erreicht werden soll, gegenüber der bei geschlossenen Röhren (Kurve B) erhaltenen eine bessere Wiedergabefähigkeit für niedere Frequenzen.
Die punktierte Kurve D zeigt die grössere Niederfrequenz-Wiedergabefähigkeit des Senders in Deeibel, wie man sie durch Messung erhält, wenn die Röhre 54 offen ist (d. h. bei Anwendung der Erfindung), während die Kurve C die gemessene Wiedergabefähigkeit zeigt, wenn die vorliegende Erfindung nicht angewendet wird und die Röhre geschlossen ist. Man sieht, dass diese Messungen genau mit den theoretischen Berechnungen übereinstimmen ; die Abweichungen zwischen den Kurven A und D und
EMI7.3
Messung der Randsteifheit der Membran So berechnet werden.
Fig. 13 zeigt die gesamte Frequenzwiedergabefähigkeit eines Mikrophons mit beweglicher Spule und zugehörigem Transformator zwischen 30 und 10. 000 bei offener und geschlossener Röhre 54, wobei die Ordinaten der Aufwand in Deeibel und die Abszissen die Frequenz in Perioden pro Sekunde sind. Es ist zu bemerken, dass oberhalb 200 Perioden die Wiedergabsfähigkeit des bestimmten oben in Betracht gezogenen Mikrophons durch das Vorhandensein des Durchgangswege zwischen der Vorder-und Hinterseite des Mikrophons unbeeinflusst erscheint, dass jedoch unterhalb dieser Frequenz die Zunahme der Wiedergabsfähigkeit stark ausgeprägt ist.
Es ist natürlich zu bemerken, dass, obzwar bestimmte Abmessungen und Verhältnisse in der Beschreibung der Erfindungsanwendung auf Schallumsetzungsvorriehtungen gegeben wurden, die beschriebenen Ausführungsarten nur zur Veranschaulichung der Erfindung dienen.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Schallumsetzungsvorrichtung mit einer Membran, deren eine Fläche der Luft ausgesetzt ist, während die andere nicht der Luft ausgesetzte Fläche durch eine Fluidumkammer eingeschlossen ist, von der ein Durchgangsweg zu der ausgesetzten Fläche der Membran führt, dadurch gekennzeichnet, dass die Masse des Fluidums, das in diesem Durchgangsweg enthalten ist, im wesentlichen der wirksamen Masse der Membran gleich ist.