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Schallumsetzungsvorrichtung
Die Erfindung betrifft eine Schallumsetzungsvorrichtung, insbesondere einen Tauchspulenlautsprecher und hat den Zweck, die Frequenzcharakteristik und den Wirkungsgrad in weitem Frequenzbereich zu verbessern.
Ein Tauchspulenlautsprecher besteht im wesentlichen aus einer konisch ausgebildeten Membrane, an deren spitzem Ende die Tauchspule befestigt ist, die in den Luftspalt eines Magneten hineinragt. In der Tauchspule entsteht durch den tonfrequenten Wechselstrom die Wechselkraft zum Antrieb der Membrane. Die Tauchspule ist infolge ihrer Bauweise eine starre Einheit, die Membrane hingegen stellt einen elastischen Körper dar. Als Membranematerial hat sich Papier als am besten geeignet erwiesen, weil es genügend Steifigkeit mit der notwendigen inneren Dämpfung verbindet. Die Wechselkraft in der Tauchspule setzt bei niederen Frequenzen die Membrane als starres Gebilde in kolbenförmige Bewegung. Mit zunehmender Frequenz schwingt die Membrane nicht mehr als Einheit.
Die Übertragung der Schwingungen von der Tauchspule auf die Membrane erfolgt nach Art der Schallfortpflanzung in elastischen festen Körpern.
Es ist eine bekannte Erscheinung, dass die Frequenzcharakteristik eines freistrahlenden Lautsprechers mit zunehmender Membranegrösse einen mit steigender Frequenz immer stärker werdenden Abfall aufweist. Daher ist die Schallwiedergabe von Lautsprechern mit grösseren Membranen dumpf, wodurch Sprache an Verständlichkeit einbüsst und Musik die charakteristischen Obertöne verliert. Die Bemühungen, diese Mängel zu beseitigen, haben zu unwirtschaftlichen Konstruktionen geführt. Es war bisher die Ansicht verbreitet, dass der Verlauf des Strahlungswiderstandes der Membrane die Ursache dieser störenden Erscheinung ist. Indess haben Versuche gezeigt, dass die schlechte Anpassung der mechanischen Impedanz der Tauchspulenmasse an den mechanischen Wellenwiderstand des Membranematerials im Bereich der hohen Frequenzen von entscheidender Bedeutung ist.
Die Übertragung der Schwingungen der Tauchspule erfolgt bei niederen Frequenzen ganz verschieden von der Schwingungsfortpflanzung im Bereiche höherer Tonfrequenzen. Die mechanische Impedanz der Tauchspulenmasse steigt ebenso wie die Impedanz der gesamten Membranemasse proportional mit der Frequenz an. Bei einer bestimmten Frequenz schliesslich wird die Impedanz der Membranemasse grösser als der mechanische Wellenwiderstand des elastischen Membranematerials. Von dieser kritischen Frequenz an erfolgt die Schwingungsfortpflanzung im Membranematerial nach Art der Schallfortpflanzung in elastischen festen Körpern. Der mechanische Wellenwiderstand des Membranematerials ist frequenzunabhängig und seine Grösse wird durch Multiplikation der Schallgeschwindigkeit im Material mit der Dichte des Materials erhalten.
Bei den bisherigen Konstruktionen ist allein auf den Umstand Bedacht genommen worden, dass zur Erzielung eines hohen Wirkungsgrades die Masse der Tauchspule nicht viel geringer als die Membranemasse sein darf.
Erfindungsgemäss wird darüber hinaus die Impedanz der Tauchspulenmasse bei oder nahe der höchsten zu übertragenden Frequenz an den mechanischen Wellenwiderstand des Membranematerials angepasst. Dies geschieht gemäss der Erfindung durch derartige Verteilung der Tauchspulenmasse auf der Membrane, dass der mechanische Wellenwiderstand des Membranematerials etwa gleich der Impedanz der Tauchspulenmasse bei oder nahe der höchsten zu übertragenden Frequenz ist.
Bei den bisherigen Lautsprecherausführungen ist dies nicht berücksichtigt worden. Die Anpassung der Impedanz der Tauchspule erfolgte bei einer Frequenz, die weit unter der höchsten zu übertragenden Frequenz lag oder anders ausgedrückt, die Impedanz der Tauchspulenmasse war gegenüber dem Wellenwiderstand des Membranematerials bei der höchsten zu über- tragenden Frequenz um ein Vielfaches zu gross.
Die notwendige Verteilung der Tauchspulenmasse kann erfindungsgemäss durch Vergrösserung des Umfanges der Tauchspule erfolgen. Mit zunehmendem Umfang der Tauchspule wird bei konstant gehaltener Gesamtmasse der Tauchspule die Masse je Längeneinheit des Umfanges immer kleiner. Wird dies so weit fortgesetzt, bis die Impedanz der Tauchspulenmasse je Längeneinheit des Umfanges bei der höchsten Frequenz etwa gleich dem Wellenwiderstand des Membranematerials je Längeneinheit des Umfanges ist, so wird eine gleichmässige und gute Energieübertragung über einen breiten Frequenzbereich
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erzielt.
Der spezifische mechanische Wellen- widerstand von Membranematerial, das genügend
Steifigkeit mit zureichender Dämpfung verbindet, beträgt etwa 50.000 gfsec. cm2, entsprechend einer Dichte von 0, 55 g/cm3 und einer Schall- geschwindigkeit von etwa 1000 m"sec. Durch
Versuche hat sich herausgestellt, dass nicht unbedingt die höchste zu übertragende Frequenz in die Berechnung eingesetzt werden muss, sondern ein noch hinreichender gleichmässiger
Frequenzverlauf erzielt wird, wenn man eine
Frequenz, die etwa eine Oktave unter der höchsten zu übertragenden Frequenz liegt, der Berechnung zugrunde legt. Dies hat seine Ursache darin, dass über der kritischen Frequenz ein plötzlicher
Abfall in der Frequenzkurve nicht eintritt.
Die Zeichnung erläutert nun die Erfindung und veranschaulicht zwei beispielsweise Anwendungsfälle derselben, u. zw. bei Lautsprechern.
Fig. 1 zeigt die eine Ausführungsform des Laut- sprechers im Längsschnitt und Fig. 2 eine
Stirnansicht hiezu, während Fig. 3 einen Längsschnitt durch die zweite Ausführungsform wiedergibt, wozu Fig. 4 wiederum eine Stirnansicht darstellt.
Gemäss den Fig. 1 und 2 trägt die gewölbte Membrane 1 eine Tauchspule 2, deren Masse und Durchmesser so gewählt wird, dass einerseits die Bedingung Tauchspulenmasse =Membranemasse hinreichend erfüllt ist, andererseits der mechanische Wellenwiderstand des Membranematerials nicht wesentlich unter der Impedanz der Tauchspule, bezogen auf eine Längeneinheit der Angriffslinie von Tauchspule und Membrane liegt. Aus Fig. 1 ist ausserdem noch die Lagerung der Membrane 1 mittels konzentrischen Rillen 3 und eine Zentriervorrichtung 4 für die im Luftspalt 5 schwingende Tauchspule 2 zu ersehen. Die Bohrung 6 im Bolzen dient zur Entlüftung des Hohlraumes hinter dem kuppelförmigen Mittelteil der Membrane.
Gemäss den Fig. 3 und 4 sind ausserdem in den Lautsprecher Schalleitorgane z. B. zwei zueinander schräg liegende Leitwände 7 eingebaut, welche die Schallwellen höherer Frequenzen seitlich ablenken, um eine gleichmässige Verteilung des Schalles im Raume zu sichern..
An Hand eines Zahlenbeispieles soll die Erfindung noch näher erläutert werden : Eine Lautsprechermembrane bestehe aus Papier von 0,07 cm Dicke. An der Verbindungsstelle (Verbindungslinie) des Tauchspulenträgers mit der Membrane, die gemäss Fig. 1 aus einem kalottenförmigen Mittelteil mit einer ringförmigen Rand- zone bestehe, ergebe sich für den Rand des zentralen Membraneteiles und für den Basisrand des diesen umschliessenden ringförmigen Membraneteiles ein für die Ableitung der Körper-
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bezogen 7000 mechanische Ohm betragen. Daher ist ein Umfang der Tauchspule von 301.440 : 7000 = 43 cm, somit ein Durchmesser von 13,7 cm erforderlich.
Zur Vergrösserung des mechanischen Wellenwiderstandes des Membranematerials können Teile der Membrane, z. B. der kalottenförmige Mittelteil aus Kunststoff, z. B. Polyvinylchlorid oder aus Metall, z. B. Duraluminium, bestehen.
PATENTANSPRÜCHE : l. Schallumsetzungsvorrichtung, insbesondere Lautsprecher, mit einer Membrane und einem elektromechanischen Wandler, z. B. einer Tauchspule, dadurch gekennzeichnet, dass die Impedanz der Tauchspulenmasse bei oder nahe der höchsten übertragenen Frequenz, vorzugsweise durch eine entsprechende Verteilung der Tauchspulenmasse auf der Membrane, an den mechanischen Wellenwiderstand des Membranematerials derart angepasst ist, dass bei der angegebenen Frequenz der mechanische Wellenwiderstand des Membranematerials ungefähr gleich der Impedanz der Tauchspulenmasse ist.