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Elektroakustischer Wandler
Die Erfindung bezieht sich auf hochwertige, elektroakustische Wandler (Rundfunkmikrophone,
Lautsprecher), die man in neuerer Zeit mit soge- nannten"Kolbenmembranen"ausstattet, d. h. mit Membranen, deren wirksame Fläche starr ist und die nur am Rande elastisch eingespannt sind, so dass sie wie ein Kolben hin-und herschwingen.
Während bei den bekannten Blattmembranen unter der Einwirkung höherer Frequenzen sich
Schwingungsknoten innerhalb der Membrane- fläche ausbildeten, so dass für die Membrane und für die mit ihr gekoppelten Systeme komplizierte, theoretisch kaum vorauszube- stimmende Frequenzkurven gelten, ergeben sich für Kolbenmembranen genau definierte Resonanz- verhältnisse, deren Rückwirkungen auf die ge- koppelten, elektrischen und akustischen Glieder der genauen rechnerischen Vorausbestimmung zugänglich sind.
Um elektroakustische Wandler mit Kolben- membranen mechanisch widerstandsfähig und erschütterungsfest zu machen, muss man die
Kolbenmembrane möglichst leicht und die Rück- stellkraft ihrer Randeinspannung nicht zu klein wählen. Aus diesen Gründen war es bisher nicht möglich, die mechanische Eigenfrequenz einer Kolbenmembrane an die untere Grenze der akustischen Frequenzen zu verlegen, ohne eine unzulässig grosse Erschütterungsempfindlichkeit in Kauf zu nehmen. Eine Verlegung der Resonanzfrequenz an die obere Grenze des akustischen Frequenzbandes kommt hingegen nicht in Frage, weil das System dann zu starr und sein Wirkungsgrad zu gering würde.
Jede innerhalb des akustischen Bereiches liegende Resonanzfrequenz führt jedoch zu Verzerrungen.
Man hat daher bei Wandlern der beschriebenen Art hinter der Kolbenmembrane einen abgeschlossenen Luftpolster von geringer Tiefe vorgesehen, dessen elastische Wirkung die mechanischen Rückstellkräfte der Membrane unterstützt und die Eigenfrequenz der Membrane erhöht. Es gelingt so, die Eigenfrequenz von Kolbenmembranen bis auf etwa 2000-6000 Hertz zu steigern und die Frequenzkurve des Wandlers innerhalb dieses Frequenzgebietes entsprechend anzuheben.
Um den Abfall der Frequenzkurve im Gebiet der tiefen Frequenzen auszugleichen, hat man den Luftpolster über einen ringförmigen Ver- bindungsspalt mit einem möglichst ungedämpften
Helmholtz'schen Resonator gekoppelt, dessen
Eigenfrequenz etwa eine Oktave über der unteren
Grenzfrequenz des Wiedergabebereiches liegt und dessen dicht neben der Kolbenmembrane nach vorn in die Aussenluft mündender Resonatorhals eine mitschwingende Luftmasse enthält, die akustisch der trägen Masse der Kolbenmembrane entspricht. Die Luftsäule im Resonatorhals schwingt dann im Bereich der genannten Resonanzfrequenz gegenphasig zu der ihren Antrieb vermittelnden Rückseite, d. h. gleichphasig mit der in gleicher Richtung abstrahlenden bzw. beaufschlagten Vorderseite der Kolbenmembrane.
Ein solcher Schallsender (Schallempfänger) hat einen Wirkungsgrad, der innerhalb eines recht breiten Frequenzbandes konstant ist, lässt sich jedoch nicht an Schallführungen üblicher Art (Trichter, Hörner) ankoppeln, insbesondere nicht zur Erzeugung von Geschwindigkeitstransformationen heranziehen und lässt sich auch nicht-zwecks Erzielung
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Die Erfindung geht einen anderen Weg und besteht im wesentlichen darin, dass an die Kolbenmembrane ein Luftstöpsel angekoppelt ist, dessen Querschnitt und dessen Länge zur Membranefläche so bemessen sind, dass die Eigenfrequenz des so gebildeten schwingenden Systems : Membranemasse, Membranerückstellkraft und wirksame Masse des Luftstöpsels an die untere Grenze des Hörbereiches verschoben ist.
Dadurch wird ein elektroakustischer Wandler geschaffen, der gleich vorteilhaft für Schallsender wie für Schallempfänger verwendbar ist und der über das gesamte Frequenzband der praktischen Akustik ohne unerwünschte Dämpfung arbeitet. Dabei lassen sich an das erfindunggemässe akustische System beliebig gewählte Schallführungen oder sonstige Hilfsmittel für die Erzielung bestimmter Schallfeldverteilungen ankoppeln.
Die Zeichnung erläutert in den Fig. 1 und 2 die theoretischen Grundlagen der Erfindung und stellt in den Fig. 3-10 mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung samt den zugehörigen Diagrammen und elektrischen Ersatzschaltbildern dar.
Bei einem Lautsprecher nach Fig. 1 mit einem Trichter K, dessen Mundöffnung 0 sehr viel kleiner ist als die Oberfläche der Membrane M, entstehen an der Mundöffnung 0 auf Grund der Geschwindigkeitstransformation Geschwindigkeitsschwankungen vo, welche sehr viel grösser sind als die an der Membraneoberfläche auftretenden Geschwindigkeitsschwankungen Vm. Ist F die schwingende Fläche der Kolbenmembrane M, sowie Fo die Fläche der Mundöffnung 0, so ist das Verhältnis dieser Geschwindigkeiten durch die Gleichung gegeben :
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Diese Erscheinung wird zur Beschwerung der Kolbenmembrane durch eine longitudinal mitschwingende Luftsäule in der Weise herangezogen, dass man an den hinter der Membrane vorgesehenen Luftpolster Fi die Mundöffnung eines Rohres (Luftstöpsels) RI MI mit der Querschnittsfläche f anschliesst. Die an der Mundöffnung des Rohres Ri Mi bei schwingender Membrane M entstehenden Geschwindigkeitsschwankungen verrechnen sich aus der Gleichung :
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in der man das Verhältnis
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als "Transformationsverhältnis" bezeichnet.
Im System, gebildet von der Membrane M, der elastischen Rückstellkraft C ihrer Randeinspannung, von der Luftkammer Fi und dem Rohr Mi Ri, wird bei schwingender Membrane der im Rohr RI MI befindliche Luftstöpsel zu longitudinalen Schwingungen gezwungen. Er stellt eine mit der Membrane M gekoppelte, träge Masse dar, welche die wirksame Eigenfrequenz der Membrane herabdrückt.
Diese träge Masse ist zwar an sich sehr klein ; die Beschleunigungen, denen sie unterworfen ist, stehen jedoch zu den Beschleunigungen, denen die Kolbenmembrane unterworfen wird, im gleichen Verhältnis wie die an der Mundöffnung des Rohres RI MI und die an der Membraneoberfläche M auftretenden Geschwindigkeiten.
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wirkung auf die Membrane berechnet sichanalog zum elektrischen Transformationsgesetz, wonach jede Impedanz des Sekundärkreises eines Transformators mit einem Faktor auf den Primärkreis zurückwirkt, welcher dem Quadrat des Transformationsverhältnisses entsprichtaus dem spezifischen Gewicht s der Luft, sowie aus der Länge l und dem Querschnitt f des Rohres RI MI nach der Formel :
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Wie diese Masse bei schwingungstechnischer Berechnung des Systems einzusetzen ist, erkennt man aus dem in Fig. 2 dargestellten elektrischen Ersatzschema. Die Masse M der Kolbenmembrane bildet zunächst mit der Rückstellkraft C ihrer Randeinspannung und der Rückstellkraft Ci
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erscheint. Auf diesem Schwingungskreis wirken die auf elektrischem (Schallgeber) oder auf akustischem (Schallempfänger) Wege erzwungenen Schwingungen der Kolbenmembrane wie eine aufgeprägte Wechselspannung E. An den genannten Schwingungskreis ist die gemäss Gleichung (2) anzusetzende akustische Masse
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der den Reibungswiderstand der Luft innerhalb des genannten Rohres versinnbildlicht. Es entsteht also ein zweiter, resonanzfähiger Leistungskreis C, M, Ri, Mi, E.
Versuche haben gezeigt, dass man bei einer Kolbenmembrane, deren aus ihrer Randeinspannung und ihrer Masse resultierende, mechanische Eigenfrequenz bei etwa 100 bis 200 Hertz liegt, die also bereits eine keineswegs mehr unerträgliche Stoss-und Erschütterungsempfindlichkeit aufweist, die Resonanzfrequenz des Schwingungskreises M, C, Ri, Mi, E ohne weiteres bis auf 50-30 Hertz herabzudrücken vermag. Man kann also auf diesem Wege an der unteren Schwelle des zu übertragenden Frequenzbandes eine Resonanz erzeugen, die einen Ausgleich der Frequenzkurve ergibt, welcher sich bisher nur mit den eingangs erwähnten, grundsätzliche Nachteile der verschiedensten Art aufweisenden Mitteln erzielen liess.
Voraussetzung hiefür ist, dass man die Kapazität Ci (vgl. Fig. 2), d. h. die Rückstellkraft des
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Masse Mi nur etwa auf ein Drittel ihres Wertes herabdrücken. Man darf also die lediglich aus ihrer Randeinspannung und ihrer Masse resultierende mechanische Eigenfrequenz der
Membrane M nur auf etwa 150 Hertz legen, sofern man nicht unerwünschte, durch den
Saugkreis hervorgerufene Einsattelungen der
Frequenzkurve in den höher liegenden Ge- bieten des Frequenzbandes in Kauf nehmen will.
Die vorzugsweise über den für die Schwingspule vorgesehenen Ringspalt durchgeführte Ankopplung einer weiteren Rückstellkraft ermöglicht es, derartige Einsattelungen der Frequenzkurve durch die Ankopplung eines weiteren, resonanzfähigen Leistungskreises zu beseitigen. Man kann dann der Masse Mi bedenkenlos den mechanisch zweckmässigsten Wert geben.
Da sich Kolbenmembranen mit angesetzter Schwingspule am bequemsten und mit der günstigsten Kombination von Stossfestigkeit und elektro- mechanischem Wirkungsgrad für eine aus der Randeinspannung C und der Masse M resultierende mechanische Eigenfrequenz von etwa 400-500 Hertz herstellen lassen, liegt dieser Wert von Mi etwa bei dem Hundert-bis Vierhundertfachen von M, d. h. also bei Werten, die auf dem erfindungsgemässen Wege eine zehn-bis zwanzigfache Herabdrückung der akustisch wirksamen Eigenfrequenz gegenüber der ursprünglichen mechanischen Eigenfrequenz ergeben.
Ein Ausführungsbeispiel eines solchen Druckempfängers zeigt Fig. 3. Die kalottenförmig gewölbte Membrane M trägt am Rande die Schwingspule S innerhalb der elastischen Einspannung C. Die Schwingspule S taucht in einen Ringspalt R2, M2, hinter dem in bekannter Weise ein Luftvolumen Fg liegt. Mit dem in üblicher Weise hinter der Membrane M vorgesehenen, durch einen passend abgedrehten Bolzen B begrenzten Polsterraum V1 ist nun
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M, die Fläche F und die Rückstellkraft C der Kolbenmembrane derart abgestimmt sind, dass die Luftmasse l. f. s des longitudinal mit-
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frequenz an die untere Grenze des Hörbereiches verschoben wird.
Vorzugsweise wird hiebei das Verhältnis der akustisch wirksamen Masse Mi zur Masse M so überaus gross gewählt, dass die Eigenfrequenz des vom Polstervolumen VI und dem mitschwingenden Volumen RI MI gebildeten, als Saugkreis wirkenden Systems in den Bereich des zu übertragenden Frequenzbandes gelangt. Gleichzeitig wird die Eigenfrequenz des Schwingungssystems, gebildet von der Membranemasse M, ihrer Rückstellkraft C,
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der Rückstellkraft (Steifigkeit) Ca des Luft- raumes V3 und von der unter Berücksichtigung der eintretenden Geschwindigkeitstransformation errechneten akustischen Masse M2 des Luft- stöpsels iMi angenähert auf diese gleiche
Frequenz abgestimmt.
Das in Fig. 4 abgebildete elektrische Ersatz- schaltbild für das System gemäss Fig. 3 lässt drei unmittelbar von der Wechselspannungs- quelle E gespeiste Leistungskreise und zwei angekoppelte Saugkreise erkennen :
I. Der Leistungskreis C, M, Ci, E, dessen
Eigenfrequenz an der oberen Grenze des wieder- zugebenden Frequenzbandes liegen soll.
II. Der Leistungskreis C, M, R"MI, C"E, dessen Eigenfrequenz an der unteren Grenze des Hörbereiches liegen soll.
III. Der Saugkreis R1, MI, C2, Cl, dessen
Eigenfrequenz entweder oberhalb der oberen
Grenze des wiederzugebenden Frequenzbereiches liegen muss oder auch an irgendeine Stelle des wiederzugebenden Frequenzbereiches gelegt werden kann, wenn man sie etwa gleich der
Eigenfrequenz des
IV. Leistungskreises C, M, R-, Cg, E macht, welcher dann bei passender Dämpfung R2 die nachteiligen Wirkungen des unter III genannten Saugkreises aufhebt.
V. Der Saugkreis R1, M1, C2, C3, M2, R2, dessen Resonanzfrequenz zwangsläufig dicht bei der Resonanzfrequenz des Schwingungskreises II liegt, da er die gleichen Glieder enthält, der aber nicht in Erscheinung tritt, weil er die Widerstände und R2 in Reihe enthält und daher zu stark gedämpft ist.
Dass sich diese Bedingungen auch praktisch erfüllen lassen, zeigt folgendes Beispiel :
Bei einer ohne besondere Schwierigkeiten herstellbaren Kolbenmembrane mit 7 cm2 wirksamer Oberfläche (Gewicht m einschliesslich Schwingspule 0-1 g), wurde die Rückstellkraft C der Membraneeinspannung mit 4, 4. 105 Dyn/cm gemessen. Für den Ringspalt R2 hinter der Schwingspule ergab sich ein Reibungswiderstand (auf die Membrane M bezogen) von etwa 2000 mechanischen Ohm.
Mit dieser Membrane, deren aus ihrer Masse M und ihrer Rückstellkraft C resultierende mechanische Eigenschwingung bei etwa 330 Hertz lag, ergaben sich die besten Resultate unter Benutzung eines Polstervolumens Fi von 0. 35 coma in Verbindung mit einem Luftstöpsel i, Afi von 1-3 cm Länge und 0-1 cm Durchmesser, einem Kapselvolumen V2 von 250 cm3 sowie einem über den Ringspalt R angekoppelten Resonanzvolumen Fg von 30 5 cm3.
Aus den oben angeführten Bemessungen und den eingangs behandelten Formeln ergeben
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Auf Grund der bekannten Schwingungsformel :
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in welche für die Berechnung jedes Kreises die Summe der in diesem Kreise enthaltenen Rückstellkräfte (C+C1+...) und die Summe der in diesem Kreise enthaltenen Massenelemente (M+M1+...) einzusetzen ist, ergeben sich
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gegen ist es wichtig, den Widerstand R2 verhältnismässig gross zu machen, um den Leistungskreis IV passend abzudämpfen. Da ein akustischer Reibungswiderstand der Länge des Umfanges proportional ist, der zu einem gegebenen Kanalquerschnitt gehört, und spaltförmige Kanäle daher besonders hohe Reibungswiderstände ergeben, erfüllt der Ringspalt R2 diese Bedingung in sehr geeigneter Weise.
Will man den Ringspalt R2 nicht zum Ankoppeln des Resonanzvolumens V 3 verwenden, so bedient man sich hiezu einer grösseren Anzahl parallel geschalteter, sehr enger Kanäle.
Die gemessene Frequenzkurve des eben erörterten Mikrophons ist in Fig. 5 voll ausgezogen dargestellt, während die bei abgedichteter Mundöffnung des Röhrchens Afi. Ri entstehende Frequenzkurve gestrichelt angedeutet ist. Man erkennt, dass der wichtigste Unterschied dieser Kurven in der Beseitigung des Leistungsabfalles unterhalb von etwa 600 Hertz besteht, und dass auf diesem Wege eine praktisch gradlinige Frequenzkurve erzielt werden konnte, die von 30 Hertz bis etwa 10.000 Hertz reicht.
Bei Geräten, deren Frequenzbereich nur bis zu etwa 8000 Hertz zu gehen braucht, kann die sehr kleine, dem Ringspalt R2 zugeordnete Masse M2 meist vernachlässigt werden. Soll jedoch ein Frequenzbereich bis zu mehr als 10.000 Hertz einwandfrei beherrscht werden, so pflegt sich ein vorläufig noch nicht berücksichtigter Kreis störend bemerkbar zu machen, nämlich :
VI. Der Saugkreis Ci, R2, M2, C3, dessen Eigenfrequenz wegen der sehr kleinen Masse M2 verhältnismässig hoch, u. zw. meist bei etwa 12.000 Hertz liegt.
Um seine Wirkung zu kompensieren, kann man in Analogie zu dem für die Kompensation des Saugkreises III vorgesehenen Resonanzkreis IV gemäss Fig. 6 und Fig. 7 einen weiteren Resonanzkreis R3, M3, C4 vorsehen, welcher aus einer Luftkammer V4 und einem diese
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des Bolzens B verlegt. Die so erzielte Frequenzkurve zeigt Fig. 8.
Das gleiche Prinzip lässt sich vervielfacht anwenden, um die letzten Unregelmässigkeiten aus der in Fig. 8 dargestellten Frequenzkurve zu entfernen.
Diese räumlichen Schwierigkeiten lassen sich jedoch dadurch überwinden, dass man diejenigen Kanäle, deren Länge die Hälfte der kürzesten Wellenlänge des beherrschenden Frequenzbandes zu übersteigen droht, gemäss Fig. 9 in Abständen mit seitlichen Bohrungen versieht, welche in getrennte kleine Luftkammern Va, Vb, Vc und
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ein akustisches Filter nach Art des Ersatzschaltbildes der Fig. 10, wobei die zwischen den einzelnen Bohrungen liegenden Abschnitte Ma-Me wie in Reihe geschaltete Selbstinduktionen wirken, zwischen denen Kapazitäten angeschlossen sind ; die Ausbildung von stehenden Wellen wird dadurch unmöglich gemacht. Allerdings braucht diese Massnahme nur auf Kanäle angewendet zu werden, deren Länge den Betrag von etwa 1-3 bis 1-5 cm übersteigt, da z.
B. eine Kanallänge von 1-3 cm bereits ausreichend kurz für die Beherrschung eines akustischen Frequenzbandes ist, welches bis zu 12.000 Hertz reicht.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Elektroakustischer Wandler mit einer Kolbenmembrane, die einen nach rückwärts belüfteten Luftpolster von geringer Tiefe begrenzt, dadurch gekennzeichnet, dass an die Kolbenmembrane ein Luftstöpsel (Ri AfJ angekoppelt ist, dessen Querschnitt (f) und dessen Länge (I) zur Membranefläche (F) so bemessen sind, dass die Eigenfrequenz des so gebildeten schwingenden
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