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Elektromechanischer Schwingungsumformer
Die Erfindung bezieht sich auf elektrisch angetriebene mechanische Schwingsysteme, insbesondere auf Schneiddosen für Schallaufnahmegeräte, z. B. Phonographen.
Es ist bereits bekannt, dass man zur Stabilisierung der Arbeitsweise eines Verstärkers und zur Verminderung der Verzerrungen im Verstärkerausgang eine Gegenkopplung anwenden kann, also eine Rückkopplung eines Teiles der Ausgangsspannung des Verstärkers auf dessen Eingangskreis in Gegenphase zur Signalspannung in diesem. Es wurde auch schon vorgeschlagen, dieses Prinzip in der Weise bei elektrisch angetriebenen mechanischen Schwingsystemen anzuwenden, dass man die Rückkopplungsenergie von einem Generatorglied ableitet, welches sich mit dem angetriebenen Schwingsystem bewegt.
Während die theoretischen Anforderungen an Systeme dieser Art schon längere Zeit festliegen, ergaben sich bei der praktischen Herstellung solcher Systeme, die in einem breiten Frequenzbereich betrieben werden sollen, grosse
Schwierigkeiten.
Das Ziel der Erfindung ist ein stabiles elektromechanisches Schwingsystem mit negativer Rückkopplung, das den für hohe Qualität erforderlichen
Frequenzbereich von Sprache und Musik im wesentlichen verzerrungsfrei verarbeiten kann.
Gemäss der vorliegenden Erfindung wird das
Schwingungssystem zwecks Vereinfachung des Problems der Aufrechterhaltung der richtigen Phasenbeziehungen im Rückkopplungskreis so ausgebildet, dass es nur eine einzige Resonanzspitze im gesamten Arbeitsbereich aufweist und
Sekundäreffekte infolge von Resonanzen der
Luftkammern, die sich in der Nähe des Schwingsystems befinden, durch Ausgleichswege vermieden werden, welche während des Schwingungsvorganges eine Strömung der Luft durch das
System ermöglichen.
Bei kompaktem Aufbau wird ein stabiler Betrieb des Systems durch Abschirmung des rückkoppelnden Schwingerteiles gegen den antreibenden Schwingerteil erzielt und nötigenfalls kann eine verbleibende induktive Einwirkung des antreibenden Schwingerteiles auf den Ausgang des rückkoppelndt. n Schwingerteiles in enter später noch erläuterten Weise ausgeglichen werden.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform für eine Schneiddose eines Phonographen besteht das bewegte System aus einer grossen Treiberspule, einer kleineren Rückkopplungsspule und einem Stichel, der mit diesen Spulen durch ein steifes, konisches Glied starr verbunden ist, welches an verschiedenen Stellen von zwei ausladenden Haltern, etwa von einer Membran und einer freitragenden Feder, schwingfähig gestützt wird. Der erforderliche magnetische Fluss für die Spulen wird von einem Magneten erzeugt, dessen Polschuhe zwei im Abstand voneinander liegende Luftspalte bilden ; eine Kupferplatte zwischen zwei äusseren Polschuhen und eine Kupferhülse an einem zentralen Polschuh bilden zusammen eine im wesentlichen geschlossene Abschirmung für die Spulen.
Falls dies zur Stabilisierung des Betriebes erforderlich ist, kann man am zentralen Polschuh in der Nähe der Rückkopplungsspule noch eine feststehende dritte Spule anordnen, die gegensinnig zu jener in den Rückkopplungskreis einzuschalten ist. Infolge des kompakten Aufbaues und der Notwendigkeit, zur Empfindlichkeitssteigerung schmale Luftspalte zu verwenden, ergeben sich in der Nähe des bewegten Systems eine Anzahl kleiner Luftkammern. Die Steifigkeit der Luft, die in diesen Kammern eingeschlossen ist, hat normalerweise solche Grösse, dass sie im Zusammenwirken mit der Masse des bewegten
Systems der Schneiddose oder mit der Masse der Luft selbst sekundäre Resonanzeffekte und damit ein Klirren oder eine Verzerrung des Frequenzganges hervorrufen würde.
Um diese unerwünschten Auswirkungen zu verhindern, wird die Luftsteifigkeit in diesen Kammern gemäss der Erfindung vermindert, indem man eine grosse Anzahl kleiner Perforationen in der
Membran und im antreibenden Konus vorsieht.
Die grundsätzliche Anforderung für einen stabilen Betrieb eines solchen Systems besteht darin, dass die gesamte Phasendrehung im Ver- stärker und in der Schneiddose im gesamten zu übertragenden Frequenzband für alle jene
Frequenzen kleiner als + 1800 sein muss, bei denen die resultierende Verstärkung in der den Verstärker, die Schneiddose und die Rück-
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koppluc, gsspule enthaltendem Schleife grösser als 1 ist.
Da die Anwendung e. nef, Schwingsystems mit cor einzigen Resonanzfrequenz bezüglich semer Halterung ein wichtiges Hilfsmittel zur
Beschränkung der Phasendrehung auf einen innerhalb der vorstehend angegebenen Grenzen liegenden Wert darstellt, ist es wichtig, dass das die Spulen mit dem Stichel verbindende
Glied und die ausladende Aufhängung der
Spulen steif genug ausgeführt werden, um innerhalb des Arbeitsbereiches sekundäre Reso- nanzen zu vermeiden.
Die beschriebenen und weitere Merkmale der Erfindung sollen nun an Hand der Zeichnung näher erläutert werden, in der Fig. 1 eine Schneid- dose gemäss der Erfindung, Fig. 2 einen ver- grösserten Schnitt durch das Schwingsystem der Schneiddose, Fig. 3 ein Schaltbild für ein erfindungsgemässes Schneidgerät und die Fig.
4-7 weitere Schwingsysteme zeigen, die in
Schneiddosen dieser Art Verwendung finden können.
Wie die Fig. 1 und 2 erkennen lassen, ist der
Topfmagnet 11 mit einem zentralen Polschul. 12 und einem äusseren Polschuh 13 ausgestattet, die einen ringförmigen Luftspalt 14 für die mit
Niederfrequenz beaufschlagte Treiberspule 15 bilden ; ferner ist dieser Magnet mit einem zweiten äusseren Polschuh 16 versehen, der mit einem
Fortsatz 17 des zentralen Polschuhes einen
Luftspalt 18 für die Rückkopplungsspule 19 bildet. Das steife, konische Glied 20, an dem die beiden Spulen montiert sind, ist an seiner
Spitze mit einem Halter 21 für den Stichel 22 und mit einer V-förmigen, freitragenden Feder 23 zusammengebaut, welche am Polschuh 16 be- festigt ist und zur Zentrierung des Schwing- systems dient.
Das gesamte System wird ferner in vertikaler Richtung schwingfähig von einer
Membran 24 gehaltert, die zwecks Unter- drückung örtlicher Resonanzeffekte eine ver- steifende Rille 25 aufweist.
Die Rückkopplungsspule 19 ist gegen das von der Trciberspule 15 erzeugte Feld durch einen Kupferring 26 zwischen den Polschuhen und durch einen zweiten, konischen Kupfer- ring 27 abgeschirmt, welcher den Fortsatz 17 des zentralen Polschuhes umgibt. Diese Ringe und die Polschuhe bilden in der Nähe der
Membran 24 und des Konus 20 eine Anzahl kleiner Luftkammern, die normalerweise infolge der Steifigkeit der eingeschlossenen LuftResonanz- effekte hervorrufen würden. Diese Resonanzen werden bei der beschriebenen Schalldose dadurch vermieden, dass die Membran und der Konus mit einer grossen Anzahl kleiner Löcher 28 versehen sind, welche es der Luft ermöglichen, durch das Schwingsystem zu strömen, wodurch die Luftsteifigkeit auf einen nicht mehr schädlichen Wert herabgesetzt wird.
Da die Spielräume beiderseits des Schwing- systems so klein wie moglich gemacht werden, um eine hohe Krafiliniendichte in den Luft- spalten zu erreichen, bilden die Ringe 26 und : : 7 zwischen der Treiberspule und der Rückkopplungsspule einen fast geschlossenen Kupferschirm, der bei höheren Frequenzen, wo die Abschirmung am nötigsten ist, hohe Wirksamkeit hat. Wenn jedoch die auf diese Weise erzielte Schirmwirkung, insbesondere bei den tieferen Frequenzen, nicht vollständig ausreicht, wird zweckmässig eine dritte Spule 29 in einer Ausnehmung des Ringes 27 nahe der Rückkopplungsspule angeordnet, so dass diese bezüglich der Treiberspule im wesentlichen die gleiche Gegeninduktivität wie die Rückkopplungsspule hat. Diese Spule wird in Serie mit der Rückkopplungsspule, u. zw. gegensinnig zu dieser in den Rückkopplungskreis eingeschaltet.
Bei gegengekoppelten Systemen, bei denen eine zweifache Energieumwandlung, nämlich von elektrischer in mechanische Form und wieder zurück in elektrische Form stattfindet, ist im Gegenkopplungskreis zur Erzielung eines ausgeglichenen Frequenzganges eine sehr hohe Verstärkung erforderlich. Bei der praktischen Durchführung dieser hohen Verstärkung muss darauf geachtet werden, dass hiedurch das Problem, die Rückkopplung stets negativ zu erhalten, nicht unnötig erschwert wird.
Bekanntlich bewirkt jede Vakuumröhre eine Phasendrehung um 1800 und andere Teile der Schaltung, wie etwa der Ausgangsübertrager 51, verursachen überdies frequenzabhängige Phasendrehungen, so dass eine sorgfältige Bemessung und Einstellung der Schneiddose und des Schneidverstärkers als Gesamtheit erforderlich ist, um das System in dem breiten Frequenzbereich stabil zu halten, welcher für eine hochqualitative
Aufzeichnung ausgewertet werden muss.
Bei der Schaltung nach Fig. 3, welche einen
Verstärker darstellt, der sich in Verbindung mit einer solchen Schneiddose bewährt hat, werden die das aufzuzeichnende Signal dar- stellenden Ströme von irgendeiner geeigneten
Quelle, wie etwa einem Mikrophon 30, ab- geleitet und durch einen Verstärker 31 in üblicher
Weise auf einen mittleren Pegel verstärkt. Die
Ausgangsspannung dieses Verstärkers gelangt über die Röhre 32, in der sie mit der von der
Schneiddose in der später noch zu erläuternden
Weise abgeleiteten Rückkopplungsspannung kombiniert wird, und über die erforderlichen zusätzlichen Verstärkerstufen 33, 34 und 35 zur Treiberspule 15 der Schneiddose.
Das
Schwingsystem der Schneiddose betätigt den
Schneidstichel, so dass dieser in Abhängigkeit von den aufgedrückten Signalströmen eine Auf- zeichnung vornimmt, und treibt ferner auch die Rückkopplungsspule 19 an, um eine der Stichel- geschwindigkeit proportionale Spannung zu er- zeugen.
Die vom Verstärker 31 kommenden Signale, welche bereits einen ziemlich hohen Leistungs- pegel haben, werden über den Übertrager 36 und den Lautstärkeregler 37 dem Fanggitter 38 der Röhre 32 zugeführt, während die Rück- kopplungsspannung von der Spule 19 über die
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Leitung 40, 41 und'erforderlichenfalls) über ein einstellbares, pbasend < rehendes Netzwerk 42 auf das Steuergitter 39 wirkt. Auf diese Weise wird in der Rückkopplungsschleife eine höhere Verstärkung als im Wege des Signals erzielt, ohne dass hiezu in der Rückkopplungsschleife zusätzliche Verstärkerstufen benötigt werden.
Ein weiteres Hilfsmittel zur Stabilisierung des Systems und zur Erzielung eines abgeflachten Frequenzganges besteht darin, dass man den Verstärker mit einer inneren Gegenkopplung ausrüstet, die von der Anode 43 der Röhre 35 zum Schirmgitter 44 der Röhre 33 verläuft. Dieser Kreis enthält beispielsweise einen Widerstand 45 mit einem Parallelkondensator 46 und in Serie dazu einen zweiten Kondensator 47, welcher an das Schirmgitter 44 und an einen Widerstand 49 angeschlossen ist, von dem ein einstellbarer Teil durch einen Kondensator 48 überbrückt wird.
Die Kapazität des Kondensators 48 ist so gewählt, dass sie die Gegenkopplung bei den höheren Frequenzen schwächt und so den Frequenzgang der Schneiddose in demjenigen Bereich auf einen geeigneten
Pegel hält, in dem diese sonst zum Amplituden- abfall neigen würde, während der kleine Konden- sator 46 die Phasendrehung regelt, um eine positive Rückkopplung bei Überhörfrequenzen und die damit verbundene Instabilität zu ver- hindern. Die innere Gegenkopplungsschleife vermindert auch nichtlineare Verzerrungen, ver- bessert die widerstandsmässige Anpassung zwischen der Röhre 35 und der Schneiddose und setzt schliesslich die schädliche Phasen- drehung im Ausgangsübertrager 51 herab.
Das Glied 20, welches die Spulen 15 und 19 sowie den Stichel 22 der Schneiddose trägt, wurde bisher in der Ausführung als steifer Konus beschrieben, doch kann das nur eine Resonanz- frequenz aufweisende Schwingsystem auch andere Formen haben, wofür in den Fig. 4-7 einige Beispiele dargestellt sind. Gemäss Fig. 4 besteht der Spulenträger 60 aus einem zylindrischen Oberteil 61 für die Spule 15 und einem zylindrischen Unterteil 62 für die Rückkopplungsspule 63, die durch einen konischen Mittelteil 64 miteinander verbunden sind. Bei der Bauweise nach Fig. 5 trägt ein einziger zylindrischer Teil 65 sowohl die Treiberspule 15 als auch die Rückkopplungsspule 66, die ebenso wie die Spule 63 in Fig. 4 als Zylinderspule ausgebildet ist.
Solche Spulen sind nicht nur leichter herzustellen als die konische Spule 19 in Fig. I, sondern gestatten auch die Anwendung eines in vertikaler Richtung schmalen Luftspaltes, der eine höhere Kraftliniendichte bei der Spule und damit eine höhere Rückkopplungsspannung gewährleistet.
Der in den Fig. 6 und 7 dargestellte Spulenträger 67 hat einen zylindrischen Teil 68 für die Treiberspule 15 und verjüngt sich zu einem dünnen rechteckigen Endteil 70 beim Stichel 22.
Innerhalb des abgeflachten Teiles 70 ist im rechten Winkel zur Ebene der Spule 15 eine rechteckige Spule 71 angeordnet, von der eine Spulenseite in dem von den Polschuhen 16 gebildeten Luftspalt liegt. Da die beiden Spulen bei dieser Bauweise keine wesentliche Gegeninduktivität haben, ist hiebei das Problem der Abschirmung sehr vereinfacht und in vielen Fällen wird sich überhaupt eine Abschirmung zwischen den Spulen erübrigen.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Elektromechanischer Schwingungsumformer mit einem magnetischen Kreis, der zwei getrennte Luftspalte bildet, und einem Schwingsystem mit einem ausladend, vorzugsweise an einer Membran, befestigten Glied, welches eine Treiberspule in dem einen Luftspalt und eine angetriebene Spule (Rückkopplungsspule) im anderen Luftspalt trägt, dadurch gekennzeichnet, dass die Masse und die Steifigkeit des schwingenden Systems derart bemessen sind, dass dieses System innerhalb des verarbeiteten Betriebsfrequenzbereiches nur eine einzige Resonanzfrequenz aufweist.