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Die Erfindung betrifft eine kreisringförmige Membran, insbesondere für Mikrophone und Kopfhörer mit einem elektroakustischen Wandler nach dem Tauchspulenprinzip, welche Membran innerhalb und ausserhalb des durch den Tauchspulendurchmesser bestimmten Kreises schwingungsfähige, mit ringförmigen, nach aussen erhabenen, d. h. vom Magnetsystem abgewendeten, Oberflächen versehene Bereiche aufweist.
Eine solche kreisringförmige Membran ist in der DE-OS 3026291 beschrieben. In der vereinfachten Darstellung in Fig. 1 zeigt sich diese Membran als Konusmembran mit einem nahezu 180 aufweisenden Öffnungswinkel und einem festgelegten Mittelteil. Am inneren und äusseren Umfang weist die bekannte Membran breite Zonen mit Sicken auf, deren Anordnung aus einem komplizierten Rechenverfahren hervorgeht. Diese Anordnung soll der ringförmigen Membran sowohl Axialbewegung als auch eine Drehbewegung um ihre Achse ermöglichen, wodurch ein zufriedenstellendes Ansprechverhalten oder ein zufriedenstellender Frequenzgang bei einer nur geringen Klangverzerrung erreicht werden soll. Ausserdem ist aus Fig. 1 zu ersehen, dass bei der beschriebenen Membran, wie der Querdchnittsdarstellung zu entnehmen ist, lediglich ebene Membranflächen vorhanden sind.
Die Membran ist ziemlich flach ausgebildet und weist in ihrem mittleren Teil eine leichte, von ebenen Flächen begrenzt geringe dreieckförmige, zum Magnetsystem hin gewendete Vertiefung auf.
Für die Erfindung sind noch folgende Umstände von besonderer Bedeutung :
Elektroakustische Wandler haben im allgemeinen die Aufgabe, Schallschwingungen des Hörbereiches, d. h. Schwingungen im Bereich von etwa 20 Hz bis 20 kHz, möglichst gleichmässig zu übertragen. Dieser Bereich umfasst demnach mehr als zehn Oktaven, und es ist schwierig, einen einzelnen elektroakustischen Wandler so auszubilden, dass sein Frequenzgang von den tiefsten bis zu den höchsten Frequenzen geradlinig verläuft. Insbesondere bei den elektroakustischen Wandlern nach dem Tauchspulenprinzip ist zu bemerken, dass bei den hohen und höchsten Frequenzen ein unerwünschter Abfall des Übertragungsmasses eintritt.
Um diesem Mangel entgegenzutreten, wurden sogenannte Zweiwegsysteme eingeführt, bei denen je ein Wandler für die tiefen und mittleren Frequenzen und ein Wandler für die hohen und höchsten Frequenzen vorgesehen ist. Elektrodynamische Wandler nach dem Tauchspulenprinzip zeigen aber auch in ihrer Ausbildung als Hochtonübertrager, gleichgültig ob sie als Mikrophon oder als Kopfhörersystem spezifiziert sind, bei den höchsten Frequenzen einen relativ steilen Abfall des Frequenzganges, dem nur durch Vorsetzen eines Helmholtzresonators vor die Membran entgegengetreten werden kann. Die Ursache für diesen Abfall ist in der Bauform der derzeit allgemein verwendeten Membranen für Mikrophone und Kofphörer zu finden, die es der Membran unmöglich macht, dass jeder Punkt der Membranoberfläche in derselben Phase schwingt wie das sie antreibende Element.
Abgesehen von den Randbereichen, in denen die Membran eingespannt ist, sollen auch die Amplituden der Schwingungen an jeder Stelle der Membran gleich hoch sein. Bei den derzeit bekannten Membranen, die im wesentlichen aus einem kalottenförmigen inneren Teil und einem gewölbten, ringförmigen äusseren Teil zusammengesetzt sind, wobei die Schwingspule im Bereich der Überschneidung der beiden Flächen angeordnet ist, hat es sich gezeigt, dass sie diese Voraussetzungen nicht erfüllen können.
Um nämlich die untere Grenzfrequenz eines nach dem Tauchspulensystem arbeitenden elektrodynamischen Wandlers in den Bereich von 10 kHz zu verlegen, was notwendig ist, um Frequenzen oberhalb dieses Bereiches übertragen zu können, muss die Membran eine hohe mechanische Steifigkeit aufweisen, ansonsten sich Teile der Membran, insbesondere der zentrale Mittelteil der innenliegenden Kalotte, bei den höchsten Frequenzen abkoppeln, wodurch sich das Übertragungsmass bei den höchsten zu übertragenden Frequenzen merkbar verschlechtert.
Um diesem Mangel abzuhelfen, d. h. um der Membran eine solche Steifigkeit zu verleihen, dass sie auch bei den höchsten Frequenzen noch mit allen ihren Teilen an den Schwingungen teilnimmt, wurde bereits vorgeschlagen, entweder eine Kunststoffolie mit gro-
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bran so gross wird, dass die angestrebte hohe Resonanzfrequenz nicht erreicht wird. Ausserdem verringern zu grosse Massen der ohnehin schon durch die Tauchspule belasteten Membran den akustischen Wirkungsgrad.
Ein anderer Vorschlag, der der DE-OS 3135003 zu entnehmen ist, läuft darauf hinaus, bei einer Membran der üblichen Bauart, die aus einer Kunststoffolie mit einer Stärke von 3 bis 300 11
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durch Pressen, Tiefziehen, Prägen oder ähnliche formgebende Arbeitsgänge hergestellt werden, eine
Teilfläche des Kalottenteils (= zentraler Teil der Membran) mechanisch zu blockieren, so dass er nicht mehr an den Schwingungen der Restmembranfläche teilnehmen kann. Durch diese Massnahme soll eine wesentliche Erhöhung der Membransteifigkeit und damit eine hohe untere Grenzfrequenz der Membran erreicht werden können, wobei trotz der Verringerung der vorgegebenen Membranfläche ein guter akustischer Wirkungsgrad erzielbar ist.
Dies ist insoferne verständlich, als auf Grund des quadratischen Zusammenhanges zwischen Durchmesser und Fläche durch die Abschaltung eines Teils der inneren Membranfläche die schallabstrahlende Fläche nur unwesentlich vermindert wird.
Obwohl mit der vorbeschriebenen bekannten Anordnung das gesteckte Ziel in akustischer Hinsicht vermutlich erreicht wird, hat sie doch den Nachteil eines grösseren Aufwandes an Bauteilen, wodurch das Volumen des mit ihr ausgerüsteten Schallwandlers unerwünscht vergrössert wird, was den derzeitigen Bemühungen, immer kleinere und leistungsfähigere Wandler herzustellen, entgegensteht.
Ziel der Erfindung ist es, eine Membran zu schaffen, die, obwohl sie nur aus einer dünnen Kunststoffolie, deren Dicke etwa 3 bis 100 11 beträgt, infolge einer besonderen Formgebung eine so hohe Steifigkeit aufweist, dass sie ohne zusätzliche Hilfsmittel imstande ist, Frequenzen bis weit über 20 kHz unter Beibehaltung eines praktisch linearen Frequenzganges zu übertragen. Dieses Ziel wird bei einer Membran der eingangs beschriebenen Art dadurch erreicht, dass die beidseitigen Einspannungen der Membran in einer Ebene gemeinsam mit der Anschlussstelle an die Tauchspule im Ruhezustand liegen und die jeweils als kontinuierlich konvex gekrümmte Oberfläche ausgebildeten, nach aussen erhabenen Teilbereiche der Membran über diese Ebene vorragen.
Aus der DE-OS 3309617 ist zwar bereits eine kreisförmige Membran bekanntgeworden, die zum Magnetsystem hin vertieft, also nicht konvex ausgebildet ist und unter allen Umständen Randsicken benötigt, sie ist jedoch für Lautsprecher gedacht und besitzt daher eine grosse Masse. Die bekannte Membran ist als kreisförmige Rinne mit V-förmigem Querschnitt ausgebildet und vergrössert dadurch die Bauhöhe des Wandlers, was den vorerwähnten Bestrebungen nach Miniaturisierung widerspricht. Es ist auch nicht sicher, ob die bekannte ringförmige Membranform imstande ist, frei von Partialschwingungen zu arbeiten, da es allgemein bekannt ist, dass abwickelbare Membranformen stets zu Partialschwingungen neigen.
Es sei nur daran erinnert, dass seinerzeit aus diesem Grunde die sogenannte"NAWI"-Membran geschaffen wurde, wobei"NAWI"die Abkürzung der Worte "nicht abwickelbar" darstellt.
Schliesslich zeigt noch die AT-PS Nr. 325692 einen elektroakustischen Wandler üblicher Bauart, bei dem das Luftvolumen hinter der Membran mit mindestens einem Schallwiderstand verbunden ist. Der eigentliche Gegenstand dieser Druckschrift ist die Ausbildung des Schallwiderstandes in Form von Nuten im Magnetsystem. Die beim bekannten Wandler benutzte Membranform entspricht nicht einmal angenähert der Kennzeichnung im Oberbegriff des Anspruches, so dass diese Druckschrift nicht zur Beurteilung der Neuheit und Erfindungseigenschaft des Erfindungsgegenstandes herangezogen werden kann.
Die erfindungsgemässe Membran weist als Vorteil die Tatsache auf, dass sie infolge der kontinuierlich konvexen Krümmung ihrer Teilmembranen, d. s. jene Bereiche beiderseits des vom Tauchspulendurchmesser vorgegebenen Kreises, der Bündelung der Schallwellen im höheren Frequenzbereich entgegenwirkt. Darüber hinaus liefert sie infolge der Nichtabwickelbarkeit ihrer Fläche keinerlei Partialschwingungen und ihre Steifigkeit ist trotz dünnstem Membranmaterial so gross, dass sie keinerlei zusätzliche Abstützungen zur Blockierung eines Teils der Membran benötigt.
Ausserdem kann eine solche Membran auch mit hoher Nachgiebigkeit hergestellt werden, wodurch sehr niedrige Eigenresonanzen im Frequenzbereich um 500 Hz der mit der Masse der Tauchspule beaufschlagten Membran erreichbar sind, die dann verlangt werden, wenn für ein Zweiweg-Mikrophon mit nierenförmiger Richtcharakteristik das Hochtonmikrophon auszulegen ist. Ausserdem erübrigen sich auf Grund der kontinuierlich konvex gekrümmten Membranflächen jede Art von Randsicken, wodurch bei gegebenen Wandlerabmessungen die für die Membran zur Verfügung stehende Fläche optimal genutzt wird.
Bei einem ersten Ausführungsbeispiel sind die Krümmungsradien der beiden konzentrisch liegenden Teilmembranen gleich. Es ist die am einfachsten und daher am billigsten herstellbare Aus-
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führungsform der erfindungsgemässen Membran für Kopfhörer oder Mikrophone.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel sind die Krümmungsradien der beiden konzentrisch liegenden Teilmembranen unterschiedlich, wodurch es möglich ist, den übertragenen Frequenzbereich in der einen oder in der andern Richtung zu erweitern.
Die Krümmungsmittelpunkte können dabei in einer gemeinsamen, parallel zur Membranebene liegenden Ebene angeordnet sein, was zur Folge hat, dass jene Teilmembran, deren konvexe Krümmung den grösseren Radius aufweist, gegenüber der andern Teilmembran mit dem kleineren Radius vorsteht, was unter Umständen aus Platzgründen nicht erwünscht sein kann. Es wird daher ein weiteres Ausführungsbeispiel vorgeschlagen, bei dem trotz verschiedener Radien der beiden Krümmungen der konvexen Teilmembranen diese dieselbe Scheitelhöhe aufweisen. Dies wird erreicht, dass die Krümmungsmittelpunkte in zwei verschiedenen, parallel zur Membranebene liegenden Ebenen angeordnet sind. Diese Membrane gestattet die Herstellung eines Wandlers mit geringstmöglichem Volumen.
Zur Montage der Membran im Wandler weist die erfindungsgemässe Membran an ihren Rändern ebene, kreisringförmige Flächen auf, mit deren Hilfe sie auf korrespondierenden Flächen des Wandlers aufgeklebt oder sonstwie befestigt werden kann. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel gehen die Ränder der kontinuierlich konvex gekrümmten Teilmembranen in an sich bekannter Weise in ebene kreisringförmige Flansche über, wobei diese an ihrem Rand mit zylindrischen Fortsätzen versehen sind, die entsprechende Gestaltung des Wandlers vorausgesetzt, es ermöglichen, die Membran ohne besondere Hilfsmittel so mit dem Wandler zu verbinden, dass die Tauchspule beim Zusammenbau des Wandlers exakt in den ringförmigen Luftspalt des Magnetsystems eintaucht.
In der DE-OS 3026291 sind die Teilmembranen mit Sicken versehen. Eine solche Anordnung liesse sich auch bei der gemäss Anspruch 1 gewölbten Membran vorstellen, doch würde sie in diesem Falle zum erfindungsgemäss angestrebten Effekt nichts wesentliches beitragen.
Die Erfindung soll nun in der folgenden Beschreibung an Hand der Zeichnungen näher erläutert werden, in denen Fig. 1 zwecks besserem Verständnis der Erfindung den perspektivischen Querschnitt einer herkömmlichen Membranform zeigt, die Fig. 2 ebenfalls im perspektivischen Querschnitt ein erstes, prinzipielles Ausführungsbeispiel der erfindungsgemässen Membran darstellt, die Fig. 3 bis 5 weitere vorteilhafte Ausführungsbeispiele zeigen, wogegen die Fig. 6 und 7 den Frequenzverlauf einer herkömmlichen bzw. einer erfindungsgemässen Membran erkennen lassen.
Die in Fig. 1 im perspektivischen Schnitt dargestellte Membran zeigt die derzeit im allgemeinen verwendete Gestalt. Der die Tauchspule überdeckende Teil-l-der Membran bildet eine Kuppel, meist in Form einer Kalotte, wogegen der ausserhalb liegende ringförmige Membranteil --2-konvex nach aussen, d. h. abgewendet vom Magnetsystem, gekrümmt ist. Zur Beeinflussung der Elastizität der Membran können am Rande des äusseren Membranteils --2-- (nicht dargestellte) Sicken vorgesehen sein. Zur Befestigung der Membran auf dem Wandlerkörper ist die Membran an ihrem einzigen Rand mit einem kreisringförmigen Flansch --3-- versehen. Die Tauchspule ist längs der kreisförmigen Verschneidungslinie der beiden Membranteile --1 und 2-- angebracht.
Der Frequenzgang einer solchen Membran ist unbefriedigend. Er weist, wenn eine solche Membran beispielsweise im Hochtonwandler eines Kopfhörers oder in einem Mikrophon eingesetzt ist, ohne Zuhilfenahme eines als Helmholtzresonator wirkenden Vorsatzes vor der Membran, einen, wie Fig. 6 zeigt, im höheren Frequenzbereich ziemlich steilen Abfall auf.
Vergleicht man hiezu den in Fig. 7 dargestellten Frequenzgang einer erfindungsgemässen Membran, so ist der mit dieser erzielte Fortschritt, soweit er den Frequenzgang betrifft, klar ersichtlich. Er reicht, wie Fig. 7 entnommen werden kann, ohne einen Abfall zu zeigen, bis 20 kHz, und es ist möglich, den Frequenzgang darüber hinaus zu erweitern, was zwar im allgemeinen nicht erforderlich ist, jedoch das Impulsverhalten des Wandlers verbessert.
Das in Fig. 2 dargestellte Ausführungsbeispiel zeigt die prinzipielle Grundform der erfindungsgemässen Membran. Beiderseits der von der Tauchspule --11-- vorgegebenen Kreislinie --10-- sind die beiden Teilmembranen --6 und 7-- konzentrisch zueinander angeordnet. Die äussere Teilmembran - endet in einem flachen, ringförmigen Flansch --8--, und auch die innere Teilmembran --7-ist mit einem solchen ringförmigen Flansch --9-- versehen. Sie dienen der Befestigung der Teilmembranen am Wandlergehäuse oder am Magnetsystem. Die beiden Teilmembranen-6 und 7-- sind
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ringförmig und im Querschnitt kontinuierlich konvex, d. h. nach aussen, von der Tauchspule weg, gekrümmt, wobei der Krümmungsradius R 1 bei beiden Teilmembranen --6 und 7-- derselbe ist.
Das in Fig. 3 dargestellte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem der Fig. 2 nur dadurch, dass der am inneren als auch am äusseren Rand der Teilmembranen vorgesehene ringförmige Flansch-8 bzw. 9-- in einen zylindrischen Fortsatz --12 bzw. 13-- übergeht, was, wie früher bereits erwähnt, die Montage der erfindungsgemässen Membran wesentlich erleichtern kann.
Fig. 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel, das im wesentlichen dem der Fig. 3 entspricht, jedoch sich von diesem dadurch unterscheidet, dass die Krümmungsradien der beiden kontinuierlich konvex gekrümmten Teilmembranen--14 bzw. 15--verschieden sind. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Radius R4 der inneren Teilmembran --15-- grösser als der Radius R3 der ausserhalb der Tauch- spule-11-liegenden Teilmembran--14--, wobei die Radiusvektoren von einer gemeinsamen Ebene - ausgehen.
Dies hat zur Folge, dass bei der fertigen Membran die innere Teilmembran --15-- über die Höhe der äusseren Teilmembran --14-- hinausragt, was nicht immer erwünscht ist, und insoferne das Volumen des Wandlers vergrössert, als bei Verwendung eines Schutzgitters vor der Membran sich der Abstand desselben von der eigentlichen Membranebene vergrössert. Um diesem Umstand abzuhelfen, ist in Fig. 5 ein Ausführungsbeispiel dargestellt, bei dem die Radiusvektoren Rs und R6 von verschiedenen Ebenen, die in der Fig. 5 mit --M4 und M5-- angedeutet sind, ausgehen. Damit wird erreicht, dass die Scheitelhöhen der beiden Teilmembranen --14 und 15-- gleich gross sind und das Schutzgitter im kleinsten Abstand von beiden Teilmembranen angeordnet werden kann.
Mit der erfindungsgemässen Membran ist es daher möglich, kleine, kompakte elektrodynamische Wandler mit Tauchspule herzustellen, deren Frequenzgang nahezu geradlinig bis in den Bereich zwischen 20 und 30 kHz reicht, wobei die Steifigkeit der Membran im Falle der Verwendung des mit ihr ausgerüsteten elektrodynamischen Wandlers es ohne weiteres ermöglicht, eine untere Grenzfrequenz im Bereich von 500 Hz bis 10 kHz zu erzielen.
Die Anwendung der erfindungsgemässen Membran wurde vorstehend nur im Zusammenhang mit Hochtonwandlern erläutert. Es versteht sich aber von selbst, dass die Anwendung der erfindungsgemässen Membran auf solche spezielle Wandler nicht beschränkt ist, sondern auch mit Vorteil in Wandlern für ein breiteres Frequenzband, insbesondere bei Mikrophonen, eingesetzt werden kann.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Kreisringförmige Membran, insbesondere für Mikrophone und Kopfhörer, mit einem elektroakustischen Wandler nach dem Tauchspulenprinzip, welche Membran innerhalb und ausserhalb des durch den Tauchspulendurchmesser bestimmten Kreises schwingungsfähige, mit ringförmigen, nach aussen erhabenen, d. h. vom Magnetsystem abgewendeten, Oberflächen versehene Bereiche aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die beidseitigen Einspannungen der Membran in einer Ebene gemeinsam mit der Anschlussstelle an die Tauchspule im Ruhezustand liegen und die jeweils als kontinuierlich konvex gekrümmte Oberfläche ausgebildeten, nach aussen erhabenen Teilbereiche der Membran über diese Ebene vorragen.