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Elektrostatischer Wandler
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Abweichend von dieser Problemstellung zielt die Erfindung, wie schon erwähnt, auf eine Verminderung der nichtlinearen Verzerrungen ab. Dieses Ziel wird bei einem Wandleraufbau der vorstehend angegebenen Art erfindungsgemäss dadurch erreicht, dass das mehrschichtige Dielektrikum zur Unterteilung des Luftspaltes in eine Mehrzahl verhältnismässig ungleichförmiger Zwischenluftspalte, deren Dimensionen in einer parallel zur Ruheebene der biegsamen Schicht aus leitendem Material verlaufenden Ebene von Punkt zu Punkt unregelmässig veränderlich, aber in Richtung senkrecht zu dieser Ruheebene der biegsamen Schicht im wesentlichen über die gesamte Flächenerstreckung im wesentlichen konstant sind, aus einer Mehrzahl übereinanderliegender unzusammendrückbarer, dünner dielektrischer Folien besteht.
Infolge der oberflächlichen Unregelmässigkeiten der metallisierten Schicht, der Zwischenschichten aus dielektrischem Material und der Plattenelektrode ergeben sich bei diesem Wandler selbst bei enger Schichtung dieser Elemente zwischen den einzelnen Schichten kleine Lufteinschlüsse. Die so entstehenden verschiedenen Luftschichten haben in einem gewissen Ausmass willkürliche Gestalt, so dass zwar der resultierende Summenluftspalt längs einer senkrecht zur Ruheebene der Membran verlaufenden Geraden praktisch konstant ist, sich aber von Punkt zu Punkt ungleichmässig auf die verschiedenenEinzelspalte verteilt. Bei extremer Durchbiegung der Membran kann nun wohl ein Zusammendrücken eines der Luftspalte erfolgen, so dass z.
B. eine Berührung der metallisierten Folie mit einem Punkt der benachbarten Zwischenschicht oder aber eine Berührung eines ändern Oberflächenpunktes dieser Zwischenschicht mit der Plattenelektrode stattfindet, doch ist es sehr unwahrscheinlich, dass zwei solche Berührungspunkte auf einer vorgegebenen, senkrecht zur Ruheebene der Membran verlaufenden Geraden gleichzeitig auftreten. Die Wahrscheinlichkeit einer festen mittelbaren Berührung zwischen der metallisierten Folie und der Plattenelektrode, d. h. einer Mehrfachberührung der Schichten längs einer senkrecht zur Schwingungsebene der Membran verlaufenden Geraden, wird auf diese Weise herabgesetzt und die Membran schwingt somit praktisch für alle Signalpegel frei und unbehindert.
Mit Hilfe der dielektrischen Zwischenschichten wird somit der Gesamtihftspalt zwischen der leitendenAussenfolie und der Plattenelektrode in eine Mehrzahl von Luftspalten unterteilt, die sehr unregelmä- ssige Gestalten haben. Da die Zwischenschichten, die für die Ausbildung der verschiedenen Luftspalte massgeblich sind, praktisch unzusammendrückbar und doch nachgiebig sind, führen starke momentane Signalwerte, die gewöhnlich ausreichen würden, um eine direkte Berührung der äusseren metallisierten Folie mit der Plattenelektrode herbeizuführen, nur zu einerBerührung zwischen zweibenachbarten Schichten, nicht aber zu einer von vorn nach hinten durchgehenden Schichtenberührung.
Beispielsweise kann die äussere leitende Folie bei ihrer Schwingungsbewegung in Richtung zur Plattenelektrode längs einer vorgegebenen, senkrecht zur Membranruheebene verlaufenden Geraden die der Folie am nächsten liegende dielektrische Zwischenschicht berühren. In diesem Berührungspunkt wird aber nicht jegliche Schwingung der äusseren leitenden Folie unterbunden. Da nämlich eine auf der gleichen Geraden erfolgende Berührung zwischen der erwähnten Zwischenschicht und der nächsten Schicht, die je nach der Konstruktion entweder ebenfalls eine Zwischenschicht oder aber die Plattenelektrode selbst sein kann, infolge der Unregelmässigkeiten der verschiedenen Luftspalte sehr unwahrscheinlich ist, kann die ersterwähnte Zwischenschicht nachgeben und sich gemeinsam mit der anliegenden leitenden Folie im Berührungspunkt bewegen.
Es wird dabei die Bewegung der leitenden Folie zwar etwas gedämpft, doch hat diese Folie nichtsdestoweniger das Bestreben, über ihre gesamte Oberfläche homogen weiterzuschwingen. Im allgemeinen führen also die Bewegungen von Membranen, die aus mehreren dünnen Schichten bestehen, welche durch ungleichförmige Luftspalte voneinander getrennt sind, mit geringerer Wahrscheinlichkeit zu einer die Membranewegung begrenzenden durchgehenden Schichtenberührung bzw. zu einer vollständigen Zusammendrückung des Gesamtluftspaltes zwischen der äusseren leitenden Folie und der Plattenelektrode. Auf diese Weise werden Ausgangspunkte starker mechanischer Verzerrungen praktisch vermieden, wodurch die mittlere Verzerrung des Wandlers herabgesetzt wird.
Ferner werden auch Punkte mit geringer Schwingungsamplitude praktisch ausgeschaltet, wodurch die Empfindlichkeit bzw. der Wirkungsgrad des gesamten Systems erhöht wird.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung liegt darin, dass der Gesamtaufbau des Wandlers vereinfacht wird, zumal die bei üblicher maschineller Bearbeitung der Einzelteile auftretenden oberflächlichen Unregelmä- ssigkeiten zur Erzielung des geschilderten Effektes vollkommen ausreichen und die kritische Anordnung der äusseren leitenden Folie in einem bestimmten geringen Abstand von der Plattenelektrode durch die zwischen dieser Folie und der Plattenelektrode eingefügten Zwischenschichten automatisch gesichert wird.
Im Vergleich mit elektrostatisch arbeitenden Wandlern bekannter Art bietet somit die Erfindung bei vereinfachtem Aufbau die Vorteile, dass
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rand einen Flansch bildet. Die einzelnen Schichten oder Folien der Membran sind an diesem Rahmen 16 mit Hilfe eines Flachringes 17 festgeklemmt, der so ausgebildet ist, dass er am Oberteil des Flansches am Rahmen 16 einen strammen Sitz findet. In der Praxis empfiehlt es sich, am Flachring 17 einen konvexen Vorsprung vorzusehen, der in eine entsprechende konkave Rille des Rahmens 16 passt. Diese Ausführung hat sich zur Erzielung einer für die verschiedenen Schichten der Membran ausreichenden mechanischen Vorspannung als befriedigend erwiesen. Der Rand der Membran wird auf diese Weise in gespanntem, glattem Zustand gehalten.
Selbstverständlich können erforderlichenfalls auch andere, weiter entwickelte Einspannmittel angewendet werden. Bei der beschriebenen Konstruktion kann der elektrische Anschluss an die äussere metallisierte Folie des Kondensators über den Rahmen 16, z. B. mittels einer Anschlussleitung 18, hergestellt werden.
Infolge der mehrschichtigen Ausbildung der Membran kann der erforderliche geringe Abstand zwi-
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um geringe Herstellungsungenauigkeiten bei der Montage zu kompensieren. Diesem Zweck dient ein zu- sätzliches ringförmiges Stützglied 19 aus Isoliermaterial, das koaxial innerhalb der Ringöffnung des Rahmens 16 angeordnet ist und an der Ringschale 13 anliegt. Gegebenenfalls kann dieses Stützglied 19 auch als ein nabenartiger Vorsprung an der Ringschale 13 ausgebildet werden. In der mit Innengewinde versehenen Bohrung des Stützteiles 19 kann ein metallisches, mit Aussengewinde versehenes Glied 20 so verstellt werden, dass es über ein Auflagerglied 21 die Plattenelektrode 10 zur innigen Berührung gegen die Membran drückt.
Das Auflagerglied 21 hat vorzugsweise Kugelgestalt, so dass durch geeignete einmalige Einstellung des gewindetragenden Gliedes 20 eine entsprechende Neigung der Elektrodenplatte und ein richtiger Sitz derselben gesichert wird. Es hat sich gezeigt, dass mit dieser Anordnung sehr geringe Justierungen in günstiger Weise ausgeführt werden können. Der elektrische Anschluss an die Plattenelektrode 10, also an die zweite Kondensatorelektrode, erfolgt zweckmässig über die erwähnten Glieder 20 und 21, z. B. mittels einer Anschlussleitung 22.
Der gesamte Wandler ist vorzugsweise in ein Aussengehäuse 23 eingeschlossen, das aus geeignetem Kunststoff besteht und an seiner Innenfläche mit einer Schulter od. dgl. zur Abstützung des Rahmens 16 versehen ist. Dieses Gehäuse kann am Aussenmantel ein Gewinde zur Aufnahme einer Schutzkappe 24 aus dem gleichen Kunststoff aufweisen. DasAussengehäuse und die Schutzkappe schützen in üblicher Weise die inneren Bestandteile des Hörers gegen mechanische Beschädigungen und Staubeintritt.
Gemäss der Erfindung ist die Schutzkappe 24 so ausgebildet, dass sie mit dem Ring 17 und der Membran einen Helmholtz-Resonator bildet, der auf etwa 12 kHz abgestimmt ist. Diese ziemlich hohe Resonanzfrequenz wird durch einen grossen Halsquerschnitt des Resonators erreicht. Die Resonanz desHohl- raumes kann ferner durch Füllung des Hohlraumes mit Dämpfungsmaterial 25 verbreitert werden. Beispielsweise kann zu diesem Zweck poröses Papier verwendet werden. Das Dämpfungsmaterial kann an der metallisierten Folie anliegen, ohne diese wesentlich zu beeinflussen.
Fig. 2 zeigt in stark vergrössertem Massstab einen Querschnitt durch einen kleinen Teil des Stapels aus Plattenelektrode 10, nichtmetallisierter Zwischenschicht 14 undmetallisierterFolie 15. Es ist eine einzige Zwischenschicht 14 angenommen, die vorzugsweise durch eine 0, 004 mm starke Mylar-Folie gebildet wird und zwischen der metallisierten Aussenfolie 15 und derPlattenelektrode 10 liegt, wobei die Aussenfolie vorzugsweise eine 0, 006 mm starke Mylar-Folie ist, die an der Aussenseite mit einer dünnen Aluminiumschicht überzogen ist. Wie schon erwähnt, können zwischen der Folie 15 und der Plattenelektrode 10 noch weitere Zwischenschichten angeordnet werden.
Die verschiedenen Zwischenschichten werden beim Zusammenbau möglichst dicht gegeneinandergepresst, um den Einschluss grosser Luftblasen zu vermeiden. Unter normalen Fertigungsbedingungen werden aber infolge der Unregelmässigkeiten der verschiedenen Oberflächen ohne Aufwand besonderer Massnahmen doch kleine Luftblasen zwischen den benachbarten Schichten sowie zwischen diesen und der metallisierten Folie bzw. der Plattenelektrode eingeschlossen. Auf diese Weise bilden sich zwischen den Hilfsschichten sowie zwischen diesen Schichten und der metallisierten Folie bzw. der Plattenelektrode unregelmässig gestaltete Luftschichten aus. Wirkungsmässig wird also der normalerweise zwischen der leitenden Membran und der Plattenelektrode vorhandene einzige Luftspalt durch eine Mehrzahl von geschichteten Luftspalten ersetzt.
Dennoch ist der Gesamtabstand der leitenden Folie von der Plattenelektrode nur wenig grösser als der Elektrodenabstand, der gewöhnlich unter erheblichem Aufwand an Präzision eingehalten wird. Die Luftspaltverteilung schwankt zwar von Wandler zu Wandler, doch hat sich gezeigt, dass die Nennabmessungen der resultierenden Luftspalte in einer grösseren Anzahl von auf die beschriebeneWeise hergestelltenWandlereinheiten nur wenig voneinander abweichen.
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Ohne Anwendung einer Zwischenschicht in Form der nichtmetallisierten Folie 14 muss die metallisierte Folie 15 nach der bisherigenpraxis sehr genau nahe der Plattenelektrode 10 angeordnet werden. Bei einer solchen Anordnung ist nur ein einziger Luftspalt vorhanden, der zur Erzielung einer befriedigend hohen Empfindlichkeit sehr klein sein muss. Demnach bewirken starke Schwingungen der metallsierten Folie bei Einwirkung starker Signale, wie schon erwähnt, eine wiederholte Berührung der Folie und der Plattenelektrode in zahlreichen Punkten. Die Anzahl der Berührungspunkte hängt von der Schwingungsamplitude sowie von denDickenschwankungen der Luftschicht ab, die auf Unregelmässigkeiten der einander zugekehrten Elektrodenoberflächen beruhen.
Körperliche Berührungen dieser Art führen zu mechanischen Verzerrungen, wenn die einwirkende Signalspannung die gleiche Polarität wie die Vorspannung hat und vermindern überdies die Empfindlichkeit bzw. den Wirkungsgrad des Wandlers.
Das Diagramm nach Fig. 3 erläutert diese Verhältnisse. Eine angelegte Signalwelle geringer Amplitude bewirkt eine unverzerrte Schwingung in beiden Durchbiegungsrichtungen der Membran und führt daher. zu einer Schalldruckwelle a, die ein genaues Ebenbild des angelegten Signals darstellt. Eine etwas stärkere angelegte sinusförmige Signalwelle führt zu einer Schalldruckwelle b, die in der zweiten Halbperiode infolge einer leichten Berührung zwischen Membran und Plattenelektrode etwas abgeflacht ist, währendschliesslicheineSignalwellemitwesentlichstärkererAmplitudeeineSchalldruckwelle c hervorruft, die in ihrer zweiten Halbperiode infolge einer starken, in mehreren Punkten stattfindenden Berührung zwischen Membran und Plattenelektrode erheblich verzerrt ist.
Wie aus Fig. 3 unmittelbar hervorgeht, tritt in der verzerrten Schalldruckwelle hauptsächlich eine zweite Harmonische auf.
Infolge der Anwendung von Zwischenschichten in Form von nichtmetallisierten Folien 14 wird gemäss der Erfindung diese von körperlicher Elektrodenberührung herrührende Verzerrung praktisch vermieden. Die resultierende Dicke S (r) der beiden Luftschichten bei der Membrananordnung nach Fig. 2 ist gegeben durch
S (r) = Sl (r) + S (r),
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tenelektrode 10 und der Schicht 14, gemessen längs einer zur Ruheebene der Membran senkrechten Geraden bedeuten. Die Schwankungen der lichten Weite S (r) des resultierenden Luftspaltes sind im allgemeinen viel kleiner als die äquivalenten Schwankungen bei dem einzigen Luftspalt zwischen der Membran und der Plattenelektrode, der bei der bekannten Wandlerbauweise ohne Verwendung von Zwischenschichten auftritt.
Dies führt zu einer besser homogenen Schwingungsamplitude über die gesamte Oberfläche der metallisiertenAussenfolie der Wandlermembran. Ferner werden mechanische Verzerrungpunkte praktisch vermieden, wodurch die mittlere Verzerrung des gesamten Wandlersystems herabgesetzt wird. Schliesslich werden Punkte mit geringer Schwingungsamplitude ebenfalls praktisch ausgeschaltet, wodurch die Empfindlichkeit bzw. der Wirkungsgrad des Systems gesteigert wird. Die Wahrscheinlichkeit einer weiteren Erhöhung der Empfindlichkeit und einer weiteren Verminderung der Verzerrungen wächst mit der Anzahl der verwendeten Zwischenschichten, vorausgesetzt, dass die Dicke der zusätzlichen Schichten nicht so gross ist, dass die elektrische Anziehung zwischen der Plattenelektrode und der metallisierten Folie wesentlich herabgesetzt wird.
Im Vergleich mit dynamischen Kopfhörern zeigt ein Kondensatorkopfhörer nach der Erfindung einen wesentlich günstigeren Frequenzgang, eine höhere Empfindlichkeit und geringere nichtlineare Verzerrungen. Die Empfindlichkeit hängt von der angelegten Vorspannung, von der mechanischen Spannung der Membran und von der Nachgiebigkeit der Luftschicht ab. Wenn das angelegte Signal beispielsweise eine Sinuswelle ist und über den gesamten Frequenzbereich konstante Amplitude hat, so ist die resultierende Kraft ebenfalls konstant. Bei Frequenzen, die unterhalb der, wie schon erwähnt, etwa 14 kHz betragenden Resonanzfrequenz des Systems liegen, führt eine konstante Kraft zu einer konstanten Membrandurchbiegung. In einem geschlossenen Koppler, dessen Abmessungen klein im Vergleich zur Wellenlänge sind, bewirkt eine konstante Membrandurchbiegung einen konstanten Schalldruck.
Demnach ergibt sich für die Schalldruckwelle ein flacher Frequenzgang.
Fig. 4 zeigt den Frequenzgang des Schalldruckes K (in db) für einen gemäss der Erfindung ausgebildeten Kondensatorkopfhörer. im Vergleich zum Frequenzgang D eines üblichen dynamischen Kopfhörers. Man erkennt, dass der Kondensatorkopfhörer, insbesondere bei den höheren Frequenzen, einen wesentlich flacheren Frequenzgang aufweist.
Fig. 5 zeigt den Prozentsatz der gesamten nichtlinearen Verzerrungen der Schalldruckwelle bei einem Kopfhörer gemäss der Erfindung in Abhängigkeit von der Frequenz sowie die entsprechenden Verzerrungen, die sich bei einem hochqualitativenKondensatorwandler der bisher bekannten Bauweise ergeben, bei welcher also keine Zwischenschichten aus dielektrischem Material angewendet werden. Die Kurve 1 gibt
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die gesamten nichtlinearen Verzerrungen für einen bekannten Kondensatorwandler bei einem Signalpegel von 80 db (Schalldruck) an. DieKurve 2, diebeiallenFrequenzenwesentlichunierderKurve l liegt, stellt die V rzerrungen bei einem erfindungsgemässen Wandler mit zwei Folien, nämlich einer metalli- sierten Aussenfolie und einer Zwischenfolie (vgl.
Fig. 2) bei gleichem Signalpegel von 80 db dar. Die Kurve 3 gibt schliesslich für den gleichen mehrschichtigen Wandler die nichtlinearen Gesamtverzerrungen bei einem Signalpegel von 100 db an. Man erkennt, dass selbst bei diesem hohen Schalldruckpegel die gesamten nichtlinearen Verzerrungen bei allen Frequenzen wesentlich unterhalb der beim bekannten Kondensatorkopfhörer auftretenden Verzerrungen liegen. Es hat sich gezeigt, dass ein Kondensatorkopfhörer gemäss der Erfindung im unteren und mittleren Frequenzbereich geringere nichtlineare Verzerrungen ergibt als ein hochqualitativer dynamischer Kopfhörer. Anderseits haben Vergleichsmessungen ergeben, dass ein dynamischer Kopfhörer bei den höheren Frequenzen etwas günstiger ist.
Nichtsdestoweniger sind die nichtlinearen Verzerrungen eines Kondensatorkopfhörers bei Schalldruckpegeln von 100 db und weniger im gesamten Frequenzbereich stets kleiner als 110.
Fig. 6 erläutert die Impulswiedergabe bei einem erfindungsgemässen Kondensatorkopfhörerundver- gleicht diese mit der Impulswiedergabe bei einem hochqualitativen dynamischen Kopfhörer. Ein Recht- eckwellensignal der auf der Zeitlinie A in Fig. 6 dargestellten Art löst in einem erfindungsgemässen Kondensatorkopfhörer einen Schalldruckimpuls gemäss der Zeitlinie B aus, der ein fast genaues Ebenbild der angelegten Rechteckwelle ist. Ein dynamischer Kopfhörer differenziert hingegen denEingangsim-
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vorgängen gefolgt sind.
InAnbetracht des Reziprozitätsprinzips ist ohne weiteres erkennbar, dass der erfindungsgemässe Wand- ler auch als Mikrophon zur Umwandlung einer einfallenden Schalldruckwelle in eine Spannungswelle verwendbar ist. Die Bezeichnung "Wandler" soll deshalb allgemein zur Charakterisierung des Aufbaues der Einheit dienen, unabhängig davon, ob diese Einheit eine Umwandlung von akustischer Energie in elektrische bewirkt oder umgekehrt.
Für denFachmann ist ohne weiteres ersichtlich, dass das beschriebene Ausführungsbeispiel im Rahmen der Erfindung noch verschiedene Abwandlungen zulässt. Beispielsweise kann die Gegenelektrode des Kondensators durch eine zweite metallisierte Folie gebildet werden, die bis zur Berührung gegen eine Zwischenschicht gedrückt wird, so dass wirkungsmässig die Membran beide Elektroden des Kondensators abstützt. Ferner kann die Membran mit einer metallisierten Oberfläche ausgebildet werden, die auf der Innenfläche liegt und also den Zwischenschichten zugekehrt wird, wobei dann der Kunststoffbelag dieser leitenden Oberfläche als eine Schutzschicht wirkt. Es können dann zusätzliche Zwischenschichten angewendet werden, um die richtige Resonanzfrequenz und Biegsamkeit der Membran zu erreichen.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Elektrostatischer Wandler mit einer dünnen, biegsamen Schicht aus leitendem Material, einer starren Gegenelektrode mit einer im wesentlichen ebenen Oberfläche, einem mehrschichtigen Dielektrikum zwischen der leitenden Schicht und der Gegenelektrode und einer Halterungseinrichtung zur Halterung der Schicht aus leitendem Material gegenüber der ebenen Oberfläche der Gegenelektrode unter Bildung eines im wesentlichen gleichförmigen Luftspaltes zwischen dieser Schicht und der Gegenelektrode, dadurch gekennzeichnet, dass das mehrschichtige Dielektrikum zur Unterteilung des Luftspaltes in eine Mehrzahl verhältnismässig ungleichförmiger Zwischenluftspalte,
deren Dimensionen in einer parallel zur Ruheebene der biegsamen Schicht aus leitendem Material verlaufenden Ebene von Punkt zu Punkt unregelmässig veränderlich, aber in Richtung senkrecht zu dieser Ruheebene der biegsamen Schicht im wesentlichen konstant sind, aus einer Mehrzahl übereinanderliegender, unzusammendrückbarer, dünner dielektrischer Folien besteht.