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Gegenstand der Erfindung ist eine Anordnung für Kopfhörer, die es ermöglicht, frequenzmodulierte
NF-Schwingungen mit kleinem Frequenzhub in amplitudenmodulierte Schwingungen umzuwandeln. Eine solche
Anordnung eignet sich insbesondere zur Hörbarmachung des Vibrators elektronischer Musikinstrumente, beispielsweise elektronischer Orgeln, bei denen die Wiedergabe über eine elektroakustische Anlage erfolgt. Es hat sich nämlich gezeigt, dass es bei Verwendung von Lautsprechern zur Schallabstrahlung ohne weiteres möglich ist, das Vibrato wahrzunehmen, nicht aber, wenn an Stelle von Lautsprechern Kopfhörer verwendet werden.
Es ist daher das Ziel der Erfindung, eine Anordnung in Kopfhörer einzusetzen, die es ermöglicht, frequenzmodulierte NF-Signale, wie sie beispielsweise das Frequenzvibrato von elektronischen Orgeln darstellt, zumindest in gleicher Weise und gegebenenfalls noch intensiver als bei Lautsprecherwiedergabe hörbar zu machen.
Das Vibrato bei elektronischen Musikinstrumenten, insbesondere elektronischen Orgeln, wird bekanntlich dadurch erzeugt, dass das erzeugte NF-Signal einschliesslich aller Harmonischen mit einigen Hertz moduliert wird.
Untersuchungen haben ergeben, dass derartige frequenzmodulierte NF-Schwingungen, mittels Lautsprechern wiedergegeben, eine Umwandlung in amplitudenmodulierte Schwingungen erfahren, und daher vom menschlichen
Ohr, das Tonhöhenschwankungen geringen Frequenzhubes nur schwach wahrzunehmen imstande ist, hingegen auf Lautstärkeunterschiede geringer Amplitude deutlich anspricht, ohne weiteres gehört werden können.
Es ist also anzunehmen, dass ein Lautsprecher der bei elektroakustischen Anlagen üblichen Grösse imstande ist, die geringen Frequenzschwankungen des Vibratos in Amplitudenschwankungen umzusetzen. Eine solche
Umsetzung ist aber nur dann möglich, wenn das System in seinem Frequenzgang, abgesehen von der
Grundresonanz, noch eine grosse Anzahl dicht beieinanderliegender kleiner Resonanzen aufweist, also eine Art
Kammfilterstruktur besitzt, an deren Flanken eine Umsetzung der niederfrequenten Frequenzmodulation in
Amplitudenschwankungen erfolgt. Tatsächlich zeigt auch der Frequenzgang eines üblichen Konuslautsprechers einen Frequenzgang, der durch eine eng nebeneinanderliegende Vielzahl von Spitzen und Tälern gekennzeichnet ist, so dass die Voraussetzungen für die Umsetzung einwandfrei vorhanden sind.
Vergleicht man hiezu den Frequenzgang eines Kopfhörers, beispielsweise eines solchen mit einer kuppelförmigen Membran, dann fällt sofort auf, dass, abgesehen wieder von der Grundresonanz und einer oder mehreren, vereinzelt auftretender Hohlraumresonanzen, dieser sich als völlig glatte Linie darstellt. Es fehlen demnach beim Kopfhörersystem die für einen Lautsprecherfrequenzgang typischen, unmittelbar aufeinanderfolgenden Spitzen und Täler, an deren Flanken die Umsetzung der Frequenzmodulation in
Amplitudenschwankungen erfolgt.
Aus dem Fehlen dieser dicht aufeinanderfolgenden kleinen Resonanzstellen im Frequenzgang des
Kopfhörers erklärt sich nun die Tatsache, dass das Vibrato elektronischer Musikinstrumente, insbesondere elektronischer Orgeln, kaum vom menschlichen Gehör wahrgenommen werden kann, da ein Kopfhörersystem nicht imstande ist, die geringen Frequenzschwankungen des Vibrato in entsprechende Amplitudenschwankungen umzusetzen.
Um daher das erfindungsgemässe Ziel zu erreichen, ist es also notwendig, eine Anordnung zu treffen, die unter Berücksichtigung des geringen zur Verfügung stehenden Platzes im Kopfhörer eine Art Kammfilterstruktur aufweist, die genügend steile und genügend zahlreiche Flanken im Spektrum des Niederfrequenzbandes aufweist, wie sie beispielsweise grössere Lautsprechermembranen, Räume oder ein- oder mehrdimensionale Laufzeitelemente besitzen.
Die möglichen Massnahmen zur Lösung der gestellten Aufgabe sind vielfältig und können mit mechanischen und bzw. oder elektronischen Mitteln realisiert werden. Letztere erfordern zumindest zur Zeit noch einen beträchtlichen Aufwand, weshalb sich die Erfindung bewusst auf mechanische Schwingungselemente beschränkt, die mit einem schwingenden Element des Wandlers gekoppelt werden können.
Die Erfindung betrifft also kurz zusammengefasst eine Anordnung zur Umsetzung frequenzmodulierter NF-Schwingungen in amplitudenmodulierte Schwingungen, insbesondere zur Hörbarmachung des Vibratos elektronischer Musikinstrumente, beispielsweise elektronischer Orgeln, welche Anordnung erfindungsgemäss dadurch gekennzeichnet ist, dass die Membran des eingebauten elektroakustischen Wandlers eines Kopfhörers mit glatten Frequenzgangbereichen mit wenigstens einem mechanischen Laufzeitglied verbunden ist, dessen Verzögerungszeit von einem Ende zum andern kleiner, höchstens gleich 20 ms ist.
Um das Entstehen zu grosser Nachhallanteile zu verhindern, die einen störenden Nebeneffekt hervorrufen würden, ist es erforderlich, das jeweils verwendete Schwingungssystem, z. B. eine Schraubenfeder, entsprechend zu dämpfen. Nachhallzeiten in der Grössenordnung einer halben Sekunde werden an sich nicht mehr als störend empfunden. Darüber hinaus ist es sinnvoll, die Feder durch an sich bekannte Massnahmen, wie sie z. B. in der österr. Patentschrift Nr. 279203 beschrieben sind, in ihren Übertragungseigenschaften so zu verändern, dass das Signal sowohl im Zeit- wie auch im Frequenzbereich statistisch aufgelöst wird. In dieser Hinsicht sind an das Verzögerungselement, z.
B. eine Schraubenfeder, für eine gute Qualität der Umwandlung frequenzmodulierter Signale in amplitudenmodulierte Signale ähnliche Forderungen zu stellen wie bei guten Nachhallgeräten.
Infolge der geringen Laufzeit von etwa 20 ms, die zur Lösung der gestellten Aufgabe ausreicht, sind die beim erfindungsgemässen Kopfhörer verwendeten Laufzeitelemente wesentlich kleiner als bei Nachhallgeräten, so
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dass ihr Einbau in Kopfhörergehäuse üblicher Abmessungen möglich ist. Mit dem geringen Aufwand an
Bauelementen ist auch eine wirtschaftliche Realisierung des Erfindungsgedankens möglich.
Bei flüchtiger Betrachtung der Erfindung könnte man zur Ansicht gelangen, dass es sich hier um eine
Anordnung handelt, die in der Elektroakustik unter der Bezeichnung "Nachhallgerät" in verschiedenen
Ausführungsformen bekanntgeworden ist, und man könnte der Meinung sein, dass auch ein solches Nachhallgerät die erfindungsmässig gestellte Aufgabe erfüllt.
Dies ist jedoch durchaus nicht der Fall, denn abgesehen von der Tatsache, dass die Erfindung nicht darauf abzielt, künstlichen Nachhall zu erzeugen, weisen die bekannten Nachhallgeräte, soferne sie einigermassen befriedigend arbeiten sollen, Verzögerungsleitungen auf, deren Verzögerungszeit von einem Ende zum andern mindestens zehnmal so gross ist wie die Laufzeit des bei der Erfindung vorgesehenen Laufzeitgliedes. Dies hat zur
Folge, dass die Eigenresonanzdichte bei derartigen Systemen ziemlich hoch liegt, meist zwischen 0, 3 und
1 Resonanzstellen/Hz.
Würde man einem solchen Verzögerungsglied ein frequenzmoduliertes NF-Signal, das bei einem Vibrato üblicherweise einen Frequenzhub von einem Halbton aufweist-wobei die Modulationsfrequenz im Bereich zwischen 3 bis 7 Hz liegen kann-zuführen, hätte dies unerwünschte Nebenerscheinungen zur Folge, insbesondere wegen der Frequenzvervielfachungen auf Grund der zu grossen Dichte der aufeinanderfolgenden
Resonanzstellen.
Der erfindungsgemässe Effekt ist daher nur dann befriedigend zu erreichen, wenn die Resonanzdichte nicht zu gross ist und etwa im unteren und mittleren Bereich zwischen 0, 03 und 0, 05 Resonanzstellen/Hz liegt, was einem Laufzeitglied mit einer Laufzeit von rund 20 ms entspricht.
Eine so kurze Verzögerungszeit ist für ein Nachhallgerät praktisch unbrauchbar, wie umgekehrt bei der
Erfindung ein Verzögerungselement mit der für ein Nachhallgerät üblichen grossen Verzögerungszeit nicht den gewünschten Erfolg bringt.
Abgesehen davon ist noch darauf hinzuweisen, dass die Aufgabenstellung bei der Erfindung doch eine völlig andere ist als bei den Einrichtungen zur Erzeugung künstlichen Nachhalles.
Gemäss einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist als mechanisches Laufzeitglied eine
Schraubenfeder vorgesehen, die den elektroakustischen Wandler axial durchsetzt und einerseits im Mittelpunkt der Wandlermembran, anderseits am Kopfhörergehäuse befestigt ist. Aus räumlichen Gründen ist es im Sinne der
Erfindung zweckmässig, ein elektrodynamisches Wandlersystem mit einer Tauchspule zu verwenden, dessen ferromagnetischer Kern, der auch ein Dauermagnetstöpsel sein kann, mit einer axialen Bohrung zu versehen, durch welche die Schraubenfeder berührungsfrei hindurchgeht.
Soferne es nicht möglich ist, in dem ferromagnetischen Kern eine so grosse Bohrung vorzusehen, dass eine Schraubenfeder mit optimalem Durchmesser nicht berührungsfrei hindurchgeführt werden kann, wird erfindungsgemäss vorgeschlagen, dem Teil der
Schraubenfeder, der sich ausserhalb der Bohrung des ferromagnetischen Kernes bzw. des Dauermagnetstöpsels befindet, einen grösseren Durchmesser zu erteilen als jenem innerhalb der besagten Bohrung. Aus Anpassungsgründen ist es zweckmässig, den Teil der Schraubenfeder, der ausserhalb des Magnetsystems des Wandlers sich befindet, aus einem dünneren Draht zu wickeln als den andern Teil.
Ein zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemässen Kopfhörers ist dadurch gekennzeichnet, dass das mechanisch-akustische Laufzeitglied, vorzugsweise eine Schraubenfeder, ein Kopplungselement zwischen zwei im Abstand voneinander angeordneten, in zwei wenigstens angenähert parallelen Ebenen liegenden Membranen darstellt, von denen die eine eine aktive, also vom Wandlersystem direkt angetriebene Membran ist, die andere hingegen lediglich eine schwingungsfähige, passive, nicht unmittelbar vom Wandler angetriebene Membran ist, die bei aufgesetztem Kopfhörer sich näher am Ohr befindet als die vom Wandler angetriebene aktive Membran.
Durch diese und weitere Massnahmen wird es ermöglicht, eine günstige Mischung des in amplitudenmodulierte Schwingungen umgesetzten Vibratoanteiles mit dem direkten Schall der aktiven Membran zu erzielen.
Das vorstehend beschriebene Ausführungsbeispiel bietet ferner den Vorteil, auf einfachem Wege Dämpfungsmaterial (z. B. Schaumstoff) in den Hohlraum zwischen den beiden Membranen unterbringen zu können, und, je nach dem Durchmesser der Ausnehmung, die dem Durchtritt der Schraubenfeder dient, diese mehr oder weniger zu dämpfen. Bei einem berührungsfreien Durchtritt bleibt die Schraubenfeder selbstverständlich ungedämpft. Die Füllung des Kopfhörergehäuses mit Dämpfungsmaterial, insbesondere mit einem elastischen Schaumstoff, kann auch zur Verbesserung des Frequenzganges des Hörers dienen, welche Massnahme ja an sich bekannt ist.
Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung können der folgenden Beschreibung an Hand der Zeichnungen entnommen werden, in der Fig. 1 den Frequenzgang einer z. B. eindimensionalen Verzögerungsleitung mit statistischem Übertragungsverhalten zeigt, Fig. 2 einen schematischen Querschnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemässen Anordnung in einem Kopfhörer darstellt, Fig. 3 ein zweites Ausführungsbeispiel ebenfalls schematisch im Querschnitt zeigt, Fig. 4 in gleicher Darstellung ein Ausführungsbeispiel mit zwei zu Kompressionsschwingungen angeregten Schraubenfedern zeigt, und Fig. 5 eine Variante des in Fig. 3 dargestellten erfindungsgemässen Ausführungsbeispieles ist.
Wie bereits in der Beschreibungseinleitung ausführlich dargelegt wurde, wird zur Realisierung des
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Erfindungsgedankens eine Vorrichtung benötigt, die im hörbaren Frequenzbereich möglichst viele, nicht beieinanderliegende Resonanzstellen mit möglichst steilen Flanken aufweist. Eine solche Einrichtung ist beispielsweise eine eindimensionale Verzögerungsleitung, die auch als Laufzeitglied bezeichnet wird. Ein solches Laufzeitglied soll, wie dies auch bei den üblichen Nachhallgeräten der Fall ist, ein statistisches Übertragungsverhalten aufweisen, womit gemeint ist, dass durch geeignete Ausbildung und Behandlung insbesondere der Oberfläche eines solchen Laufzeitgliedes die Resonanzspitzen und-täler beliebig, d. h. völlig
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Laufzeitgliedes, z.
B. einer Schraubenfeder mit statistisch an ihrer Oberfläche versehenen Unregelmässigkeiten. Es ist leicht einzusehen, dass, wenn ein mit kleinem Frequenzhub moduliertes Niederfrequenzsignal über ein mit dem dargestellten Frequenzgang behaftetes Laufzeitglied geschickt wird, dieses eine Art Kammfilter darstellt, an dessen Flanken die frequenzmodulierten Signale in amplitudenmodulierte Signale umgesetzt und dann als solche gut hörbar werden.
Wie Fig. 1 entnommen werden kann, liegen die Spitzen und Täler im Frequenzgang sehr eng nebeneinander, u. zw. in einem Abstand, der unter fünf Hz liegt. Man erkennt daraus, dass die Anwendung eines solchen Laufzeitgliedes alle Anforderungen erfüllt, die beim erfindungsgemässen Kopfhörer als notwendig vorausgesetzt werden.
Ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in Fig. 2 dargestellt. Es handelt sich im wesentlichen um
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Anordnung mit relativ geringem Platzbedarf führt.
Die Funktion der Anordnung ist kurz folgende : Da die Schraubenfeder --2-- einerseits fest mit der
Membran verbunden ist, wird die Schraubenfeder zu Kompressionsschwingungen angeregt. Infolge der zahlreichen, eng nebeneinanderliegenden Resonanzspitzen und Täler, die sich über den gesamten Hörbereich verteilen, ist praktisch damit zu rechnen, dass jedes frequenzmoduliertes Signal zumindest in die Umgebung einer
Resonanzstelle der Schraubenfeder --2-- fällt. Damit ist aber bereits die Gewähr gegeben, dass eine
Umwandlung der Frequenzmodulation in eine Amplitudenmodulation erfolgt, denn, wenn sich die Frequenz eines Signals auch nur geringfügig ändert, wird infolge der Eigenart des Frequenzganges der Schraubenfeder --2-- auch seine Amplitude beeinflusst.
Zufolge der grossen Flankensteilheit bei den Resonanzstellen der Feder - 2-- resultiert schon bei kleinen Frequenzänderungen, wie sie beispielsweise beim Vibrato elektronischer
Musikinstrumente auftritt, eine deutliche Amplitudenschwankung, die, wegen der Kopplung der Feder mit der
Membran, von dieser gut hörbar abgestrahlt wird.
Wie bereits eingangs ausgeführt wurde, ist es sinnvoll, wenn-aus irgendwelchen Gründen es nicht möglich ist-eine Bohrung mit dem für die Schraubenfeder--2--optimalen Durchmesser im Magnetsystem (Kern oder Dauermagnetstöpsel--6--) herzustellen, eine Feder aus dickerem Draht aber kleineren Durchmessers als dem optimalen Durchmesser entspricht, innerhalb der Bohrung--5--einzusetzen und den ausserhalb des Magnetsystems liegenden Teil --a- der Schraubenfeder --2-- aus dünnerem Draht aber mit grösserem Wicklungsdurchmesser auszubilden.
Die Dimensionierung der beiden Federteile kann so gewählt werden, dass die Wellenwiderstände gleich sind, also keine Reflexionen an der Verbindungsstelle beider Federteile auftreten.
In Fig. 3 ist ein Ausführungsbeispiel mit den erfindungsgemässen Merkmalen im Querschnitt dargestellt, bei dem zum Unterschied von dem in Fig. 2 gezeigten Ausführungsbeispiel nicht ein- und dieselbe Membran zur Abstrahlung des direkten und des verzögerten Schalles verwendet wird, sondern für jeden Schallanteil eine eigene Membran vorgesehen ist.
Im Boden eines kuppel- oder dosenförmigen Kopfhörergehäuses--7--ist das eigentliche Wandlersystem 8montiert; dessen Membran -9-- der grossen Öffnung des Gehäuses --7-- zugewendet ist. Diese Öffnung ist von einer Lochplatte mit den Öffnungen--13--abgeschlossen. Auf der Lochplatte ist schwingungsfähig eine Membran --11- angeordnet, an deren Kuppelzone--12--ein Ende der als Laufzeitglied dienenden Schraubenfeder --10-- befestigt ist. Das andere Ende der Feder ist mit der Membran - -9- des Wandlersystems verbunden. Rings um die Membran --11-- können Öffnungen vorgesehen sein, die den Durchtritt des von der Wandlermembran--9--herrührenden direkten Schalles zum Ohr ermöglichen.
Auf diese Weise ist es möglich, eine günstige Mischung des verzögerten Signalanteiles mit dem unverzögerten Anteil zu erhalten, denn durch die Anzahl und Anordnung der Öffnungen-13-bzw. deren Verteilung über die Fläche der Lochplatte lässt sich das gewünschte Verhältnis der beiden Signalanteile leicht einstellen.
Zwischen der direkt vom Wandlersystem--8--angetriebenen Membran--9--, im folgenden kurz als aktive Membran bezeichnet, und der auf der Lochplatte angeordneten, zweiten Membran im folgenden als passive Membran bezeichnet, besteht ein Hohlraum im Gehäuse--7--, in den ein Füllkörper--7a--aus porösem oder festem Material eingefügt sein kann. Zweckmässigerweise wird man einen elastischen Schaumstoff hiezu verwenden. Der Füllkörper --7a-- hat zunächst die Aufgabe, etwaige auftretende Hohlraumresonanzen
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Gegebenenfalls kann der Kopfhörer in bekannter Weise mit einem Ohrpolster-14-versehen sein, der, je nach Beschaffenheit seines Materials, eine feste Kopplung mit dem Ohr sicherstellt, oder aber beispielsweise bei Verwendung von offenporigem Schaumstoff, eine mehr oder weniger intensive Verbindung des Ankopplungsvolumens mit der Aussenluft darstellt.
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vorzusehen, die es gestattet, die genannten Öffnungen von aussen her wahlweise ganz oder teilweise zu verschliessen, was eine Anpassung der Wiedergabe an individuelle Ansprüche des Benutzers des erfindungsgemässen Kopfhörers zulassen würde.
Ein weiterer Vorteil dieses Ausführungsbeispieles besteht darin, dass der Durchmesser der Schraubenfeder - nicht mehr von dem Durchmesser einer vorgegebenen Bohrung abhängig ist, sondern frei gewählt werden kann.
Als besonders zweckmässig hat es sich gezeigt, den Durchmesser der Schraubenfeder--10 bzw. 23-entsprechend dem Durchmesser der die aktive Membran-9 bzw. 25-antreibenden Schwingspule-24-- zu machen, wie dies in Fig. 5 dargestellt ist.
Bei dem in Fig. 5 gezeigten Ausführungsbeispiel handelt es sich um einen Kopfhörer gemäss der Erfindung, bei dem das Laufzeitglied aus einer Schraubenfeder --15-- von grösserem Durchmesser, die zwischen zwei Schraubenfedern-16, 17-kleineren Durchmessers gelagert ist, besteht. Die freien Enden der dünneren
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17-sind- hinter der Membran --21-- liegt am Scheitelpunkt der Membran --21--, mit der die beiden Federn--17 und 15--fest verbunden sind. Die dünnen Federn--16, 17--stellen eine elastische Aufhängung der dickeren Feder--15--dar.
Es hat sich ergeben, dass ein Kopfhörer gemäss der Erfindung auch geeignet ist, bei Abhören von Musik die Qualität der Wiedergabe zu verbessern. Die bekannte In-Kopf-Lokalisation, die sowohl bei Mono- als auch bei Stereodarbietung auftritt, wird durch den Kopfhörer gemäss der Erfindung gemildert. Der subjektive Eindruck ist der, dass sich der Raum weitet, die Instrumente in grössere Entfernung rücken und die Raumillusion verstärkt wird.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Anordnung für Kopfhörer zur Umsetzung frequenzmodulierter NF-Schwingungen in amplitudenmodulierte Schwingungen, insbesondere zur Hörbarmachung des Vibratos elektronischer Musikinstrumente,
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elektroakustischen Wandlers eines Kopfhörers mit glatten Frequenzgangbereichen mit wenigstens einem mechanischen Laufzeitglied verbunden ist, dessen Verzögerungszeit von einem Ende zum andern kleiner, höchstens gleich 20 ms ist.
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