Elektroakustischer Wandler nach dem elektrohydrodynamischen Prinzip Die vorliegende Erfindung befasst sich mit einem elektroakustischen Wandler nach dem elektrohydro dynamischen Prinzip, d. h. mit einer Vorrichtung, mit :
der Umwandlung von elektrischer Energie in Schallenergie und umgekehrt nach elektrohydrodyna mischen, somit elektrokinetischen Prinzipien ohne Verwendung von Membranen oder anderen beweg lichen Teilen möglich ist.
Herkömmliche Lautsprecher einschliesslich solche bei Radio- oder Fernsehapparaten sind zur Erzeu gung von Schallwellen mit einem beweglichen Konus, d. h. einer Membran oder dergleichen, versehen. Bekanntlich sind solche Konen oder Membranen infolge ihrer Masse und Trägheit die Ursache von Verzerrungen.
Im allgemeinen isind die Verzerrungen um so stärker, je grösser die Masse der beweglichen Teile ist. Die Bewegung ider Membran bleibt nimmer hinter dem elektrischen Signal zurück und gibt nie idie Wellenform des Signals genau wieder.
Bei der Entwicklung von Lautsprechern ist man zu immer leichteren Membranen übergegangen. Heute ist es üblich, die Membranen aus Papier oder ähnlichen Materialien herzustellen und ihnen eine :
geeignete Form zu geben, damit sie den an ihnen wirkenden Kräften standhalten können. Die Konusform ist nur ein Beispiel hierfür. Bei elektrostatischen Lautspre chern werden üblicherweise Kunststoffmembranen verwendet, welche ein Drahtgitter oder andere elek trisch leitende Mittel enthalten,
um die Membran auf ein moduliertes alektrostatisches Feld ansprechen zu lassen. Die vorliegende Erfindung macht Gebrauch von einem vom Erfinder entdeckten elektrohydrodynami schen oder elektrostriktivhydrodynamischenEffekt,bei welchem die Luft selber als Dielektrikum in überein- stimmung mit dem angelegten Signal in SchwIngan- gen versetzt wird.
Verzerrungen, welche durch eine Membran oder dergleichen eingeführt werden, sind ,somit vermieden. Die Bewegungen ider Luft werden insbesondere durch ein nichtlineares elektrostatisches Feld hervorgerufen; die :
zur Anwendung gelangenden Prinzipien sind ähnlich denjenigen, wie sie in den USA-Patenten Nrn. 2 949 550 und 3<B>018</B> 394 be schrieben sind.
Der Hauptzweck der Erfindung ist die Schaffung von verbesserten elektroakustischen Wandlern ahne bewegte Teile, insbesondere von ,stark vereinfachten Lautsprechern und Mikrophonen. Dabei wird für solche Lautsprecher und Mikrophone ein breites Frequenzspektrum praktisch ohne Resonanzspitzen angestrebt.
Eine besondere Ausführungsform der Er findung betrifft einen einheitlichen Lautsprecher mit zwei Eingangskanälen für Stereowiedergabe. Bei ge- eigneter Anordnung lassen sich Lautsprecher oder Mikrophone seit ausgeprägter Richtwirkung herstel- len. Vorzugsweisse lassen sich auch solche Wandler herstellen, welche nicht stossempfindlich s ind.
Nachstehend werden in Verbindung mit :der Zeichnung verschiedene Ausführungsformen ider Er- findung näher erläutert.
Fig. 1 ;ist die perspektivische Darstellung eines Lautsprechers mit einer Mehrzahl von flachen Plat tenelektroden und Drahtelektroden in Verbindung mit den zugehörigen elektrischen Stromkreisen.
Fig. 2A ist eine vereinfachte perspektivische Dar stellung der Anordnung nach Fig. 1 mit vereinfach- tem Schaltschema.
Fig. 2B ist eine analoge Darstellung, jedoch mit etwas abgeänderter Schaltung.
Fig. 3 .ist ein Diagramm einer Wellenform,der an gelegten Spannung zur Veranschaulichung des Ar beitsbereiches und möglicher Ursachen von Verzer- rungen. Fig. 4 zeigt eine Ausführungsform eines Zwei- kanal-Lautsprechers für Stereowiedergabe ,
in @analo- ger Darstellung wie Fig. 2A und 2.c3.
Fig. 5 ist eine perspektivische Ansicht feiner weiteren Ausführungsform mit gebogener Platten elektrode und einer langgestreckten Drahtelektrode.
Fig. 6 zeigt ,die Anordnung nach Fig. 5 en Schnitt, wobei .die Richtung der Schallabstrahlung vom intensiven, die Drahtelektrode umgebenden, di vergierenden elektrostatischen Feld ersichtlich ist.
Fig. 7 ist eine vereinfachte Darstellung einer Mehrzahl in Reihe angeordneter Schallstrahler nach Fig. 6 für parallele Abstrahlung.
Fig. 8 ist die ,analoge Darstellung einer An ordnung für,divergierende Abstrahlung.
Fig. 9 -ist die analoge Darstellung einer An- ordnung für konvergienende Abstrahlung.
Fig. 10 zeigt schematisch eine einfache Form eines elektrohydrodynamischen Mikrophons mit zuge- hörigsn, als Blockschaltbild ,dargestellten Stromkrei- sen.
Fig. 11 veranschaulicht eine .starke Richtwirkung zeigendes Mikrophon unter Verwenid'ung von in einer Reihe angeordneten Reflektorflächm und einem Drahtgitter, und Fig. 12 zeigt ein Mikrophon mit einer Reihe flacher Platten,
bei welchem idie eintreffenden- Schall- wellen nach Durchtritt durch die Plattenreihe und das zugeordneten Drahtgitters am Ausgang ein Tonfre- duenzsignal erzeugen.
In den verschiedenen Figuren :sind @einander ent sprechende Teile mit gleichen Bezugszahlen .bezeich net.
Bei der Anwendung als Lautsprecher sind eine Mehrzahl von Elektroden mit grosser Oberfläche un- tereinander zu einer Gruppe verbunden. Ähnlich isind mehrere Elektroden mit geringer Oberfläche untereinander zu einer Gruppe verbunden. Die bei- ,
den Gruppen .sind mit geringem Abstand neben- einander angeordnet und werden mit :
entgegenge setzter Polarität von einer Hochspannungsquelle auf geladen, welche entweder eine Hochfrequenz- oder eine @Gleichspannungsquelle sein kann, in Serie mit einer VV.echselspannung hoher Amplitude zur Er zeugung -einer modulierten Spannung, wobei idie Wechselspannung ;
am Ausgang .eines vom Signal ge speisten Modulationstransformators oder direkt :im Anodenkreis von Hochspannungs-Verstärkerröhren tabgeno:mmen werden kann. Die Wirkungsweise ides Mikrophons ,ist umgekehrt, indem :der ;
eintreffende Schall am Ausgang ein elektrisches Signal erzeugt, welches verstärkt werden kann.
Grundsätzlich werden Elektroden unterschiedli- cher Oberfläche verwendet, welche von ,einer Hoch spannungsquelle erregt werden, in Kombination mit einem äusseren Stromkreis zur Erzeugung oder Fest stellung :einer Bewegung ,des umgebenden dielektri- schen Mediums.
Die Fig. 1 zeigt einen einfachen Lautsprecher nach dem elektrostriktiven hydrodynamischen Prin- zip. Eine Anzahl flacher, leitender Platten 15 wer- den zueinander parallel und im Abstand gehalten mittels Distanzstücken 16, welche gleichzeitig ;
als Iso latoren ,denen können und welche auf isolierenden Stützen 14 ruhen. Falls die Platten 15 geerdet sind, brauchen idie Stützen 14 nicht zu iisolieren. Über Leitungen 17 :sind -die Platten 15 miteinander elek- trisch verbunden.
Zwischen Stangen 18 und 19 sind mehrere feine Drähte 20 parallel und in bestimmtem Abstand zueinander verspannt. Die Stangen 18 und 19 sind auf isolierenden Stützen 21 montiert.
Selbstverständlich isst auch jede andere räum liche Lage als mit horizontalen Platten 15 möglich, sofern die gegenseitige Lage und die Abstände ider Einzelteile beihehalten wird.
Die als Elektroden idienenden Drähte 20 liegen vorzugsweise meiner Ebene, ,und zwar bei horizon- talen,Platten 15 vertikal übereinander und vorzugs weise jeweils :in der Mitte zwischen zwei Platten ebenen.
Der Abstand :der Drähte 20 von Iden Plat ten 15 -soll genügend .gross sein, ,damit überschläge und Funkenentladungen bei Aden auftretenden Span nungsspitzen vermieden werden.
Die das Elektraden- ,gitter bildenden Drähte bestehen mit Vorteil aus einem korrosionsbeständigen Metall, beispielsweise, .aus rostfreiem Stahl, uröd -der Drahtdurchmesser soll etwa im Bereich zwischen 0,05 und 0,2 mm liegen und vorzugsweise etwa 0,125 mm betragen.
Es können runde oder quadratische Drahtquerschnitte verwendet werden; die letzteren haben sich ,sowohl hinsichtlich (der Betxi:ebs;eigenschaften :
als fauch derRTI ID="0002.0241" WI="21" HE="3" LX="1759" LY="1475"> mechanischen Festigkeit uls etwas vorteilhafter erwiesen. Falls die. gesamte Spitzenspannung in der Grössenordnung von 20 kV liegt, so sind etwa 50 mm breite Platten in Abständen von etwa 12,5 mm angemessen, wobei (der Abstand zwischen dem Drahtgitter und Iden Kanten der Platten etwa 25 mm betragen soll.
Bei .geringeren Spannungen können ,diese Dimensionen entsprechend reduziert wenden.
Es ist von Vorteil, idie niedrigsten Spannungen anzuwenden, welche noch Beinen einwandfreien Betrieb gewährleisten. Zur Ver besserung der Betriebseigenschaften sind idie Platten- elektroden :mit einem Überzug :
aus teilweisse leiten- idem Material mit einem spezifischen Widerstand in ,der Grössenordnung von 105 bis 10e Ohm - cm ver- ssehen. Ein geeignetes Material für einen solchen Oberflächenauftrag besteht zum Beispiel ;aus einer Mischung ;
eines Kunstharz-Überzugsmaterials und Russ. Eine solche Oberflächenbehandlung der Elek troden dient verschiedenen Zwecken, wie Schutz ge gen schädliche Funkenüberschläge, Verminderung von Punktentladungen an scharfen Moder unregel- mässigen Kanten, Reduktion :
der Ozonerzeugung, Verminderung des Vermeidung von Kurzschlüssen und Beseitigung der Gefahr von elek- trischen Schlägen.
Das Gitter mit den Drähten 20 ist über einen Leiter 22 mit einer Klemme eines Aufwärtsstrans- form!atoxs 23 verbunden und über diesen an eine Vorspannungsquell:
e 24 ,angeschlossen, .beispielsweise an den positiven Pol einer Hochapannungs-Gleich- stromquelle oder an eine Hochspannungs-Wechsel- stromquelle. Der negative Pol der Vorspannungs- quelle 24 ist über den Leiter 25 ,an die Verbin- dungsleitung 17 und damit an die Plattenelektroden 15angeschlossen. Parallel zur Hochspannungsquelle 24 ist ein Hochspannungskondensator 26 geschaltet,
welcher einen Nebenschlussgeringer Impedanz für die Tonfrequenzsignale vom Transformator 23 bildet und ferner das Wechselstrom-Brummen vermindert. Im allgemeinen wird @Gleichstrom (mit der angege- bwnen Polarität) als Vorspannung vorzuziehen sein. Unter Umständen,
wenn ein gewisses Zischen zulässig ,ist, kann eine Hochfrequenz-Vorspannung iarngewen- ,det werden; in welchem Fall der Kondensator 26 entfällt.
Ein Leistungsverstärker 30 dient zur Ver- stärkung,der eingehenden Tonfrequenzsignale. Span nungsbegrenzermittel, wie beispielsweisse die Wider stände 27 und 28 können vorgesehen sein, um Fun kenentladungen oder unterbrochene Überschläge wie auch Schädigungen von Personen bei Berührung der Drähte 20 oder der Platten 15 zu verhindern.
In der Fig. 2A ist @die, Schaltung nach Fig. 1 als Blockschaltbild ,dargestellt. In :den meisten Fällen wird man eine Erdverbindung 31 wie .dargestellt vorsehen, obschon dies nicht von Bedeutung ist. Die hauptsächliche Austrittsrichtung der erzeugten Schallwellen. ist durch die Pfeile ,angedeutet.
In Fig. 2B ist eine Variante der Schaltung als Blockschaltbild dargestellt. Die Hochspannungs-Vor- spannungsquelle 24 ist in diesem Fall über einen Leiter 32 ;an das Drahtgitter angeschlossen, und der Ausgang des Modulationstransformators 23 ist über die Leitung 33 mit den Platten 15 verbunden.
Das Diagramm nach Fig. 3 zeigt eine beispiels weise Wellenform der an der Anordnung nach Fig. 1 auftretenden Spannungen. Die Linie V1 stellt den Wert der stationären negativen Vorspannung an den Platten 15 dar.
Der Wellenzug V2 veranschaulicht ,das den Gitterdrähten 20 vom Modulationstransfor- mator 23 zugeführte Wechselpotential. Es. ist er wünscht, dass die Potentialdifferenz zwischen den Platten 15 und den Drähten 20 dauernd über eirein minimalen Arb its-Grenzwert t bleibt.
Sinkt die Po- tentüaldifferenz unter diesen Grenzwert, so bedeutet dies :den Zustand d er Übermodulation, mit welchem entsprechende Verzerrungen verbunden :s,ind. Die Verzerrung wird .durch Beschneidung der unter -den genannten Grenzwert sinkenden Teile des Wellen zuges hervorgerufen. Aus d lesen Gründen sollte die Vorspannung der Quelle 24 :
immer wesentlich grösser sein als ,die Ausgangsspannung ;des Modu'lations- transformators 23.
Die Fig. 4 zeigt eine Lautsprecheranordnung mit .zwei Kanälen für Stereowiedergabe. Zu beiden Seiten der Platten 15 ;sind mit gleichen Abständen zwei. Gruppen von Gitterdrähten 20 und 20a ange ordnet.
Mit dieser symmetrisohen Anordnung wer- ,den zwei Kanäle gebildet, welche ,die Schallwellen in entgegengesetzten Richtungen aussenden und eine Stereowirkung hervorrufen. Das Gitter 20 bewirkt in Verbindung mit den Platten 15 (die Schallab- strahlung nach links,
wie durch .den Pfeil Kanal 2 @angQdeutet ist. Der Kanal 1 ist hingegen nach rechts gerichtet und .geht vom Gitter 20a aus. Wie bei dem vorangehenden Beispiel isst die Gleichstrom Vorsp:
annungsquelle 24 @an die Platten 15 ange schlossen, hingegen sind nun getrennte Modulaiions- transformatoren 23a und 23b mit zugehörigen Ver stärkern 30a und 30b für die beiden Kanäle erfor derlich.
Die Fig. 5 zeigt eine andere Ausführungsform eines Schallstrahlers, bei welcher ,die die .grossflächige Elektrode darstellende, vorzugsweise metallische Platte 115 eine gewölbte, leitende Oberfläche 35 und gleichzeitig eine Reflektorfläche bildet.
In der Region um den :dünnen Elektrodendraht 20 ent- stehende elektrohydrodynamische Druckwellen wer den an der Platte 115 reflektiert und treten ;gemein- sam in Richtung :des Pfeiles aus.
Die Platte 115 ist wie ;bei tder Ausführungsform nach Fig. 1 mit einer Widerstandsischicht überzogzn.
Die Fig. 6 zeigt eine bevorzugte Querschnitts form für .die Platte 115 bei der Anordnung nach Fig. 5. Die gewölbte Platte 115 bzw. ideren Innen- fläche 135 hat parabolische Form.
In der Gegend ,des Drahtes 20 entstehende Schallwellen wenden so an der genannten Fläche reflektiert, dass sie in Rich tung der Pfeile als Parallelstrahl ,austreten. Die Fig. 7 zeigt im Querschnitt eine Gruppe von gewölbten Plattenelektroden 115 und zugehörenden Drahtelektroden 20 nach Art ider Fig. 6, und zwar in gerader Reihe,
so dass sich eine ebene .Schall- wellenfront mit ausgeprägter Richtwirkung .ergibt.
Fig. 8 veranschaulicht eine ähnliche, jedoch kon vexe Anordnung der Plattenelektroden 115 und Drahtelektroden 20, die eine divergierende Wellen front bzw. Schallabstrahlung ergibt, und gemäss Fig. 9 bilden die genannten Elektroden eine konkave Reihe, aus welcher eine konvergierende Wellenfront resul- tiert.
Die Fig. 10 veranschaulicht eine einfache, auf idem elektrohydrodynamischen Prinzip beruhendeRTI ID="0003.0226" WI="6" HE="4" LX="1796" LY="2047"> Mi- krophonanordnung, deren Plattenelektrode 215 eine. parabolische, leitende Innenfläche 235 aufweist, @so dass die eintreffenden Schallwellen .so reflektiert wer iden, idass :
sie im Bereich der Drahtelektrode 220 konvergieren. Die resultierenden Änderungen der Luftdichte in ,der Umgebung der Elektrode 220 @ha- ben entsprechende Schwankungen des Stromes .aus ,der Vorspannungsquelle 224 zur Folge.
Diese Strom- schwankungen werden in einem Abwärtstransforma- tot 223 festgestellt und einem Verstärker 230 zu geführt, welcher das Ausgangs:s:ignal-ab,gibt.
Fig. 11 zeigt im Querschnitt und mit zugehörigem Blockschaltbild eine Reihenanordnung .einer Mehr- zahl von Mikrophonen nach Fig. 10. Längs Iden. Brennlinien der Reflektorelektroden 215 sind feine Drahtelektroden 220 angeordnet, .auf denen ;
sich -die eintreffenden Schallwellen bzw. Druckschwankungen konzentrieren. Die zugehörige elektrische Schaltung entspricht derjenigen ieines Einzelmikrophons ,nach Fig. 10.
In Fig. 12 ist eine modifizierte Mikrophonan- ordnung dargestellt. Der eintreffende Schall tritt zwi schen parallel und im Abstand zueinander @ausge- richteten Platten 315 hindurch.
Das isich auf die Drähte 320 konzentrierende elektrische Feld wird' durch die Schallwellen gestört. Diese Störungen ha- ben entsprechende Änderungen des Stromes der Vor- spannungsquell:
e 324 zur Folge, welche Änderungen im Abwärtstransformator 323 festgestellt und idem Verstärker 330 zugeführt wenden, welcher eine ient- sprechende Ausgangswechselspannung abgibt. Wie ersichtlich, 'Lit :
die Anordnung nach Fig. 12 im we- sentlichen idie :gleiche wie diejenige nach Fg. 1, mit dem Unterschied, dass die Einrichtung nach Fig. 12 .als Mikrophon und nicht als Lautsprecher arbeitet.
Bei allen vorstehend beschriebenen Ausführungs- beispielen sind die Platten 15, 115, 215 und 315 die Kathoden und die dünnen Drähte 20, 120, 220 .und 320 (die Anoden.
Dies ist in .den meisten An- wendungsfällen :die bevorzugte Polarität, weil dabei geringere Koronaentladungen auftreten;
der Betrieb ist jedoch auch mit umgekehrter Polarität möglich. Auch eine Erregung mit Hochfrequenzströmen ist denkbar, wenn dies damit verbundene iKorona-,Zi- schon im Ultraschallgebiet zulässig ist.
Ein. Überzug ider Platten.- oder Reflektorelek- trode 15, 115, 215 und 315 mit einer Widerstands schicht .ist in allen. Fällen vorgesehen.