Das vorliegende Patent betrifft einen Kopfhörer mit zwei als elektroakustische Wandler wirkenden elektrostatischen Elementen.
Kopfhörer oder Lautsprecher, die nach dem elektrostatischen Prinzip arbeiten, sind bekannt. Eine dünne, flexible, elektrisch leitfähig beschichtete, am Rand eingespannte Membran wird im Takt der Tonfrequenz zwischen zwei akustisch transparenten, fest eingebauten Elektroden nach dem Gegentaktprinzip durch elektrostatische Kräfte hin und her bewegt und wirkt so als elektroakustischer Wandler. Da z. B.
bei einem elektrostatischen Kopfhörer einerseits die bewegte Masse der Membran viel kleiner ist als bei einem dynamischen Kopfhörer mit einer im Magnetfeld angeordneten Schwingspule, und da andererseits die elektrostatischen Kräfte auf der ganzen Membranfläche aktiv sind, wogegen beim dynamischen Prinzip die Kräfte erst von der Schwingspule auf einen passiven Konus übertragen werden müssen, kann prinzipiell eine grössere Verzerrungsfreiheit erreicht werden. Dank der geringen Trägheit der Membran besitzt das elektrostatische System im akustischen Bereich keine obere Grenzfrequenz. Die untere Frequenzgrenze liegt im Bereich der Grundresonanzfrequenz der Membran. Sie hängt von Membrandimension und Membranspannung ab.
Die bekannten elektrostatischen Kopfhörer sind wie die bekannten dynamischen Kopfhörer so aufgebaut, dass das schallerzeugende Element in einer Kopfhörermuschel eingebaut ist, welche mehr oder weniger dicht die Ohrpartie ganz oder zumindest teilweise umschliesst. Dies hat zwar den Vorteil, dass Umweltstörgeräusche etwas gedämpft werden, aber den Nachteil, dass sich auf diese Art Hohlraumresonanzen prinzipiell nicht vermeiden lassen. Das führt zur Verfälschung des Klangbildes, zu Lokalisationsfehlern beim Stereo Hören und zur raschen Ermüdung des Hörenden. Es sind auch Kopfhörer bekannt, die in der vom Ohr abgewandten Seite eine Öffnung besitzen, wodurch dieser Resonanzeffekt etwas vermindert wird. Eine weitere Ursache der Ermüdung ist der unnatürliche Druck des konventionellen Kopfhörers auf die Ohr- resp.
Wangenpartie, was für den Hörenden ebenfalls die Illusion erschwert, er würde einer Originaldarbietung beiwohnen.
Bekannte elektrostatische Systeme sind in bezug auf Umwelteinflüsse sehr empfindlich. So bewirkt schon eine Temperaturänderung von wenigen Grad eine Kontraktion resp. Dilatation der Membran, was bei fester Einspannung derselben eine starke Veränderung ihrer Resonanzfrequenz bewirkt. Sowohl eine Überspannung, als auch ein Nachlassen der Spannung kann beobachtet werden, wobei dieser Effekt reversibel oder irreversibel sein kann.
Zweck der vorliegenden Erfindung ist, die angeführten Nachteile bekannter dynamischer und elektrostatischer Kopfhörer zu vermeiden und einen elektrostatischen Kopfhörer zu schaffen, der in der Lage ist, vor der Ohrpartie des Hörenden ein freies, durch keine aktustischen Hindernisse gestörtes Schallfeld zu erzeugen.
Erfindungsgemäss ist der elektrostatische Kopfhörer dadurch gekennzeichnet, dass jedes elektrostatische Element zwei gleiche, schalenförmige, durch eine Elektrodenauflagefläche und Stützrippen begrenzte Öffnungen aufweisende, an ihrer teilweise über die Stützrippen vorstehenden Randzone miteinander verbundene Elektrodenträger aufweist;
dass ferner in der Mittelebene jedes elektrostatischen Elements eine leitfähige Membran elastisch und resonanzdämpfend eingespannt ist und die Elektrodenauflagefläche und Aussenfläche jedes Elektrodenträgers mit einer akustisch transparenten Elektrode belegt ist, von welchen die inneren, der Membran benachbarten Elektroden als Steuerelektroden und die äusseren Elektroden als Schutzelektroden bestimmt sind, und dass die beiden elektrostatischen Elemente an einer ringförmigen, zur Auflage auf den Kopf bestimmten Tragvorrichtung schwenkbar in einem solchen gegenseitigen Abstand befestigt sind, dass sie im Tragzustand bei angenähert paralleler Ausrichtung zur entsprechenden Ohrebene in einem Abstand vor jedem Ohr liegen.
Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes werden nachstehend anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine Innenansicht eines Elektrodenträgers eines elektrostatischen Elements des vorliegenden Kopfhörers,
Fig. 2 einen Schnitt längs der Linie ll-ll der Fig. 1,
Fig. 3 eine Teilansicht eines fertig zusammengebauten elektrostatischen Elements,
Fig. 4 eine Ansicht eines Tragrings für die Aufnahme der elektrostatischen Elemente,
Fig. 5 einen Schnitt durch den Randbereich eines fertig zusammengebauten elektrostatischen Elements,
Fig. 6 einen Schnitt längs der Linie Vl-VI der Fig. 4,
Fig. 7 einen Schnitt ähnlich Fig. 6 mit einem drehbaren Befestigungsring zur Justierung der Membranspannung.
Jedes der beiden elektrostatischen Elemente des vorliegenden Kopfhörers umfasst zwei identische Elektrodenträger 1, von welchen in den Fig. 1 und 2 je einer in Innenansicht und im Schnitt dargestellt ist. Der Elektrodenträger besteht aus einer isolierenden, profilierten und mit Öffnungen 2 versehenen Kunststoffschale, die eine ringförmige Elektrodenauflagefläche 3 und Stützrippen 4, eine Stützringauflagefläche 5 und eine ringähnliche Randzone 6 aufweist. Im zusammengebauten Zustand des elektrostatischen Elements sind zwei der dargestellten Elektrodenträger 1 mit ihrer ringähnlichen Randzone 6 aufeinandergelegt und miteinander fest verbunden, wobei eine Schwingmembran in später zu beschreibender Weise zwischen beiden Elektrodenträgern und an diesen mehrere Elektroden angeordnet sind, so dass ein selbsttragender Aufbau erzielt wird.
Zum Anschluss von Leitungszuführungen zur Membran und zu den Elektroden weist jeder Elektrodenträger 1 meh obere Nuten auf, die im zusammengesetzten Zustand der Elek trodenträger Kabelkanäle bilden. So ist in einem lappenförmigen Teil 7 des dargestellten Elektrodenträgers eine Nut 8 für die Einführung eines mehrere Leiter aufweisenden Anschlusskabels bzw. zweier Anschlusskabel vorgesehen, wobei die Nut 8 zwei Absätze 9 als Anschläge für eine Zugentlastung der Anschlusskabel aufweist. Weitere Nuten 10 sind für Zuleitung von insgesamt vier Leitern des Anschlusskabels zu den später beschriebenen Elektroden vorgesehen. Ferner ist eine Nut 11 zur Zuführung eines weiteren Leiters des Anschlusskabels zur Membran über eine Blattfeder 15 vorgesehen.
Eine halbkugelförmige Ausnehmung 12 dient zur Aufnahme einer Kugel einer Tragvorrichtung, während eine weitere Nut 13 zur Aufnahme einer Blattfeder (nicht darge stellt) vorgesehen ist, welche gegen die genannte Kugel drückt und damit eine Bewegung des Elektrodenträgers 1 bzw. des elektrostatischen Elements bezüglich der Tragvor richtung hemmt. Bohrungen 14 dienen dazu, die beiden Elek trodenträger 1 mittels Schrauben miteinander zu verbinden, wobei durch mehr oder weniger festes Anziehen dieser
Schrauben eine zusätzliche Reibung zwischen der genann ten Kugel und den Ausnehmungen 12 eingestellt werden kann. Im Innern des Elektrodenhalters sind ferner drei Blatt federn 15 mittels je eines Befestigungsstücks 16 angebracht.
Diese Blattfedern dienen dazu, eine konstante Membranspan nung zu erzeugen, was später noch erläutert wird. Wie aus
Fig. 2 ersichtlich, ist die Auflagefläche 17 für die Steuerelek trode konkav gewölbt.
In Fig. 3 ist ein aus zwei Elektrodenträgern 1 der Fig. 1 und 2 zusammengebautes, an der Tragvorrichtung befestig tes elektrostatisches Element teilweise dargestellt. Im lappen förmigen Teil 7 ist eine Kugelschwenkstütze 18 aufgenom men und mittels Befestigungsschrauben 19 festgeklemmt.
Ein erstes Anschlusskabel 20 stellt die Verbindung des elektrostatischen Elements mit einem Tonfrequenz- und Gleich spannungsspeisegerät her, während ein zweites Anschlusska bel 21 zur Verbindung mit dem zweiten elektrostatischen Ele ment vorgesehen ist. Die Aussenseiten des teilweise darge stellten elektrostatischen Elements sind mit je einem Schaum stoffschutzfilter 22 abgedeckt, der in einem auf dem Elektrodenträger angebrachten Befestigungsring 23 gefasst ist.
Eine Tragvorrichtung 24 für die beiden elektrostatischen
Elemente ist in Fig. 4 dargestellt. Diese Tragvorrichtung weist ein als Tragring dienendes, zu einem Ring gebogenes
Stahlband 25 mit sich überlappenden Enden auf. Im Bereich der sich überlappenden Ender. ist eine Klemmvorrichtung
26 angebracht, die es erlaubt, den Durchmesser des Stahlband rings 25 zu verstellen und zu fixieren und damit der individu ellen Kopfgrösse anzupassen. Das Stahlband 25 ist teilweise von zwei nachgiebigen, beispielsweise aus Gummi bestehenden Hüllen 27 überzogen, die einerseits als weiche Kopfauflage und andererseits zur Führung des die beiden elektrostatischen Elemente verbindenden Anschlusskabels 21 (Fig. 3) dienen, wozu die Hüllen 27 als Hohlprofile ausgebildet sind.
In Fig. 4 ist die Nachgiebigkeit der Hüllen 27 angedeutet, indem gestrichelt ihre unbelastete Lage und ausgezogen ihre Lage nach dem Aufsetzen der Tragvorrichtung 24 auf den Kopf dargestellt ist.
Am Stahlband 25 sind einander gegenüberliegend die beiden Kugelschwenkstützen 18 der Fig. 3 befestigt, wobei diese Stützen die Gestalt von Auslegern aufweisen. Nach dem Aufsetzen der Tragvorrichtung 24 auf den Kopf kann der Stahlbandring 25 so verstellt werden, dass die weichen Hüllen 27 oberhalb der Ohrpartie des Kopfs aufliegen und die an den Kugelschwenkstützen 18 montierten flachen elektrostatischen Elemente in Hörposition vor den Ohren halten. Die beiden elektrostatischen Elemente können dann durch Drehen um die Kugellagerung individuell in die optimale Position vor dem Ohr gebracht werden, wobei die Höhenlage durch Verstellen des Stahlbandrings 25 reguliert werden kann.
Dank der schwenkbaren Lage der elektrostatischen Elemente um die Kugellagerung können zum Transport oder zur Lagerung des vorliegenden Kopfhörers der Stahlbandring 25 und die beiden Elemente flach gegeneinander zusammengeklappt werden, wobei der vordere Teil des Stahlbandrings 25 gleichzeitig als Traggriff dient.
Anhand der Fig. 5 und 6 wird nun der Aufbau eines fertiggestellten elektrostatischen Elements näher erläutert, wobei übersichtshalber in diesen Figuren nur ein Randbereich des Elements in grossem Massstab in einem radialen Schnitt (Fig. 5) und in einem Schnitt längs der Linie Vl-Vl der Fig.
5 dargestellt ist. Die beiden identischen, aus einem Kunststoff bestehenden Elektrodenträger 1 der Fig. 1 und 2 sind übereinstimmend aufeinandergelegt und beispielsweise mittels eines Klebstoffs fest miteinander verbunden. Auf ihrer Aussenseite ist das Schaumstoffschutzfilter 22 durch den mit dem Elektrodenträger 1 fest verbundenen, z. B. verklebten, Befestigungsring 23 festgehalten. Jeder Elektrodenträger 1 ist mit zwei im wesentlichen parallelen, gitterförmigen Elektroden 26 und 27 versehen, von welchen die äussere Elektrode 26 mechanisch und elektrisch als Schutzelektrode dient und beispielsweise mit dem Erdpotential verbunden ist und die innere Elektrode 27 als Steuerelektrode vorgesehen ist, welcher zur Erregung des Kopfhörers eine Tonfrequenzspannung zugeführt wird.
Die Gitterelektroden 26 und 27 bedecken die gesamte durch die ringförmige Auflagefläche 3 und die Stützrippen 4 (Fig. 1) begrenzte Fläche der Öffnungen 2. Die Gitterelektroden 26 und 27 werden vor dem Zusammenbau des elektrostatischen Elements paarweise auf jeden Elektrodenträger 1, d. h., dessen ringförmige Auflagefläche 3 und die Stützrippen 4 (Fig. 1, 2) thermisch aufgeschweisst. Durch diese doppelte Armierung des Elektrodenträgers 1 entsteht ein sandwichartiger Aufbau von hoher Steifheit und Formstabilität.
Symmetrisch zwischen den beiden inneren Gitterelektroden 27 ist eine Schwingmembran 28 angeordnet. Diese dünne, flexible, leitfähig beschichtete Membran wird vor dem Zusammenbau des dargestellten elektrostatischen Elements auf einen Haltering 29 praktisch spannungsfrei aufgezogen. Zur Lagerung der Membran 28 im elektrostatischen Element dient ein auf der Stützringauflagefläche 5 befestigter Stützring 30, der aus einem hochflexiblen Schaumstoff wohldefinierter Dicke besteht. Beim Zusammenbau wird in den in Fig. 5 und 6 unteren Elektrodenträgern 1, der bereits mit den Gitterelektroden 26 und 27 und dem durch den Befestigungsring 23 festgehaltenen Schaumstoffschutzfilter 22 versehen ist, die Membran 28 auf den Stützring 30 gelegt. Hierauf wird der obere Elektrodenträger 1 auf den unteren Elektrodenträger gelegt und mit diesem in der äusseren Randzone 6 verklebt.
Hierbei drücken die drei im oberen Elektrodenträger 1 mittels der Befestigungsstücke 16 (Fig. 1) angebrachten Blattfedern 15 den Haltering 29 der Membran 28 nach unten und spannen die Membran 28 gleichmässig über den äusseren Rand des flexiblen Stützrings 30, wie dies aus Fig. 5 deutlich ersichtlich ist. Selbstverständlich sind vor dem Zusammenbau der beiden Elektrodenträger 1 die vier Gitterelektroden 26, 27 und eine Blattfeder 15 mit den zugehörigen Leitern der Anschlusskabel 20, 21 (Fig. 3) zu verbinden. Wie bereits erwähnt, können die Schutzelektroden 26 mit dem Erdpotential verbunden werden. An die Steuerelektroden 27 wird ein Gegentakt-Tonfrequenzsignal gelegt, das gleichspannungsmässig auf einem Nullpotential oder auf Erdpotential liegt, also z.
B. die Sekundärwicklung eines von einem Verstärker gespeisten Niederfrequenztransformators, dessen Mittelanzapfung mit Masse verbunden ist. An die Membran 28 wird in bekannter Weise eine Gleichspannung gelegt, die gegenüber dem genannten Nullpotential bzw.
dem Erdpotential eine ausreichend hohe Potentialdifferenz hat.
Der flexible Stützring 30 übt zwei verschiedene Funktionen aus:
Erstens gleicht er zusammen mit den Blattfedern 15 Dilatationen oder Kontraktionen der Membran 28 aus, so dass diese einerseits weitgehend unabhängig von äusseren und membraninternen Einflüssen (z. B. Temperaturschwankungen, plastischer Fluss, Alterung) gleichmässig gespannt ist und andererseits ihre symmetrische Lage zwischen den beiden Steuerelektroden 27 beibehält, da nur der äussere Rand des flexiblen Stützrings 30 gequetscht wird. Es hat sich insbesondere gezeigt, dass das vorliegende elektrostatische Element unbedenklich in einem weiten Temperaturbereich betrieben werden kann, ohne dass sich seine Übertragungseigenschaften verschlechtern.
Zweitens wirkt der flexible Stützring 30 als wirkungsvolles Dämpfungselement im Resonanzfrequenzbereich der Membran 28.
Um einerseits elektrische Überschläge bei grossen Schwingungsamplituden der Membran oder gar eine Berührung der Membran 28 mit den Steuerelektroden 27 und andererseits eine Herabsetzung des Wirkungsgrades in den Randpartien bei einem grossen Elektrodenabstand zu vermeiden, ist es von Vorteil, die Auflagefläche 17 für die Steuerelektroden 27 konkav gewölbt auszubilden, wie dies in Fig. 2 dargestellt ist.
In Fig. 7 ist in einem Schnitt ähnlich Fig. 6 ein gegen über dem Beispiel der Fig. 5 und 6 leicht modifiziertes Ausführungsbeispiel dargestellt. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist ein Befestigungsring 31, der dem Befestigungsring 23 der Fig. 5 und 6 entspricht, innerhalb eines begrenzten Winkelbereichs drehbar angeordnet. Der Befestigungsring 31 ist mit einem Nocken 32 versehen, der in einer schlitzartigen Öffnung 33 des ringförmigen Teils des oberen Elektrodenträgers 1 der Fig. 5 liegt. Diese Öffnung begrenzt den Drehbereich des Befestigungsrings 31. Der Nocken 32 weist eine angeschrägte Stirnfläche 34 auf, welche dazu vorgesehen ist, beim Drehen des Befestigungsrings 31 in zunehmendem Masse auf die Blattfeder 15 zu drücken und dadurch den Druck der Blattfeder auf die Membran 28 zu erhöhen.
In Fig. 7 sind die beiden Endlagen des Nockens 32 eingezeichnet, wobei gestrichelt dargestellt ist, wie der Nocken 32 die Blattfeder 15 am stärksten nach unten drückt. Selbstverständlich sind entsprechende Nocken auch für die übrigen Blattfedern 15 vorgesehen. Auf diese Weise lässt sich die mechanische Membranspannung in einem bestimmten Ausmass einstellen.
Der vorliegende elektrostatische Kopfhörer weist gegen über bekannten Kopfhörern zahlreiche Vorteile auf:
Die beschriebene Formgebung und Befestigung der Steuerelektroden bewirkt, dass auch bei grossen Schwingungsamplituden ein Berühren der Steuerelektroden durch die Membran bzw. elektrische Überschläge zwischen den beiden vermieden sind und dass zudem eine Herabsetzung des Wirkungsgrades in den Randpartien der Membran nicht auftritt, da kein gleichmässig grosser Elektrodenabstand vorgesehen werden muss. Die beschriebene Lagerung der Membran auf dem Stützring macht die Frequenz der Grundresonanz der Membran weitgehend unabhängig von Umwelteinflüssen und bewirkt zudem, dass diese Frequenz in einem tiefen Bereich gehalten werden kann. Zudem bewirkt diese Lagerung eine starke Dämpfung der Grundresonanz.
Durch den Aufbau des beschriebenen Kopfhörers wird vor den Ohren des Hörenden ein freies, d. h., durch keine aku- stischen Hindernisse gestörtes Schallfeld verhältnismässig grosser Flächenausdehnung erzeugt, und zwar einerseits dadurch, dass das schallerzeugende Element selbst akustisch so transparent ist, dass keine störenden Mehrfachreflexionen zwischen Ohrpartie und Kopfhörer auftreten (die grosse akustische Transparenz wird erreicht dank der Stützrippenkonstruktion mit verschweissten Elektroden, da so als Elektrodenmaterial ein leichtes Metallnetz mit geringster Flächenbedeckung ohne Verlust der mechanischen Stabilität benützt werden kann), andererseits dadurch, dass die schallerzeugenden Elemente durch die beschriebene Tragvorrichtung so vor den Ohren aufgehängt werden können,
dass weder die Wangen- noch die Ohrpartie von Teilen des Kopfhörers berührt werden und die freie Ausbreitung des Schallfeldes rings um das Ohr ermöglicht ist.
Im Nahbereich nimmt die Schallintensität bei grösser werdendem Abstand vom schallerzeugenden Element rasch ab.
Dies ergibt trotz offener Bauweise eine gute akustische Trennung der beiden Kanäle, was für eine einwandfreie stereopho nische Wiedergabe unerlässlich ist. Der Effekt des sogenannten Akustischen Kurzschlusses vermindert zusätzlich das gegenseitige Übersprechen beider Kanäle bei tiefen Frequenzen (Fernfeld), verhindert aber nicht die Wiedergabe tiefer Frequenzen für das im Nahfeld der Membran hörende Ohr.
Bei hohen Frequenzen hingegen wirkt der Kopf des Hörenden als Schallhindernis, was wiederum zusätzlich einem Übersprechen entgegenwirkt.
Die beschriebene Stützrippenkonstruktion verhindert auch das Auftreten von störenden Eigenresonanzen der Elektroden. Die beschriebene Tragvorrichtung wird auch bei längerer Tragdauer als angenehm empfunden. Die Stirn- und Hinterhauptpartie wird dabei vom Tragring nicht berührt.
Da die gesamte Anordnung einen tiefen Schwerpunkt hat und stabil auf dem Kopf aufliegt, ist es unnötig, sie wie bei bekannten Kopfhörern durch federnden Andruck auf den Kopf zu fixieren. Der Hörende spürt somit nur das Eigengewicht des Kopfhörers, das dank der beschriebenen Konstruktion der Elektrodenhalter und der Tragvorrichtung sehr gering ist. Ferner erlaubt die in Elemente getrennte Bauweise ein Auswechseln derselben für Ersatz oder Reparatur.
Im Ganzen ist der vorligende Kopfhörer als ein Mittelweg zwischen bekanntem Kopfhörer und Lautsprecher zu betrachten, wobei er die Vorteile beider Systeme kombiniert aufweist, nämlich: vom Kopfhörer die Unabhängigkeit von den akustischen Eigenschaften des Wiedergaberaumes, die gute Trennung beider Kanäle und das praktische Fehlen einer Lärmbelästigung der Umgebung, und vom Lautsprecher ein ermüdungsfreies Hören ohne Berührung der Ohrpartie und eine hohe akustische Qualität.
The present patent relates to a headphone with two electrostatic elements acting as electroacoustic transducers.
Headphones or loudspeakers that work on the electrostatic principle are known. A thin, flexible, electrically conductive coated membrane, clamped at the edge, is moved back and forth between two acoustically transparent, permanently installed electrodes according to the push-pull principle by electrostatic forces and thus acts as an electroacoustic transducer. Since z. B.
In electrostatic headphones, on the one hand, the moving mass of the membrane is much smaller than in dynamic headphones with a voice coil arranged in a magnetic field, and on the other hand, the electrostatic forces are active over the entire membrane surface, whereas with the dynamic principle, the forces only apply from the voice coil to you Passive cone must be transmitted, a greater freedom from distortion can in principle be achieved. Thanks to the low inertia of the membrane, the electrostatic system has no upper limit frequency in the acoustic range. The lower frequency limit is in the range of the fundamental resonance frequency of the membrane. It depends on the membrane dimension and membrane tension.
The known electrostatic headphones, like the known dynamic headphones, are constructed in such a way that the sound-generating element is built into a headphone shell which completely or at least partially encloses the ear area more or less tightly. Although this has the advantage that ambient noise is attenuated somewhat, it has the disadvantage that cavity resonances cannot be avoided in principle in this way. This leads to a distortion of the sound image, to localization errors when listening to stereo and to the rapid fatigue of the listener. Headphones are also known which have an opening in the side facing away from the ear, as a result of which this resonance effect is somewhat reduced. Another cause of fatigue is the unnatural pressure of conventional headphones on the ear or ear.
Cheeks, which also complicates the illusion for the listener that he is attending an original performance.
Known electrostatic systems are very sensitive to environmental influences. A temperature change of just a few degrees causes a contraction, respectively. Dilation of the membrane, which causes a strong change in its resonance frequency when it is firmly clamped. Both overvoltage and a decrease in voltage can be observed, this effect being reversible or irreversible.
The purpose of the present invention is to avoid the stated disadvantages of known dynamic and electrostatic headphones and to create electrostatic headphones which are able to generate a free sound field in front of the ear area of the listener that is not disturbed by any acoustic obstacles.
According to the invention, the electrostatic headphone is characterized in that each electrostatic element has two identical, shell-shaped openings, which are delimited by an electrode support surface and support ribs and are connected to one another at their edge zone that partially protrudes beyond the support ribs;
that in the center plane of each electrostatic element a conductive membrane is clamped in an elastic and resonance-damping manner and the electrode support surface and outer surface of each electrode carrier are covered with an acoustically transparent electrode, of which the inner electrodes adjacent to the membrane are intended as control electrodes and the outer electrodes as protective electrodes , and that the two electrostatic elements are attached to an annular support device intended to be placed on the head so that they can be pivoted at such a mutual distance that they are at a distance in front of each ear when they are in an approximately parallel alignment to the corresponding ear plane.
Exemplary embodiments of the subject matter of the invention are explained below with reference to the drawing. Show it:
1 shows an interior view of an electrode carrier of an electrostatic element of the present headphone,
FIG. 2 shows a section along the line II-II in FIG. 1,
3 shows a partial view of a fully assembled electrostatic element,
4 shows a view of a support ring for receiving the electrostatic elements,
5 shows a section through the edge area of a fully assembled electrostatic element,
6 shows a section along the line VI-VI of FIG. 4,
7 shows a section similar to FIG. 6 with a rotatable fastening ring for adjusting the membrane tension.
Each of the two electrostatic elements of the present headphones comprises two identical electrode carriers 1, one of which is shown in FIGS. 1 and 2 in an interior view and in section. The electrode carrier consists of an insulating, profiled plastic shell provided with openings 2, which has an annular electrode contact surface 3 and support ribs 4, a support ring contact surface 5 and a ring-like edge zone 6. In the assembled state of the electrostatic element, two of the illustrated electrode carriers 1 with their ring-like edge zone 6 are placed one on top of the other and firmly connected to one another, a vibrating membrane being arranged between the two electrode carriers and several electrodes on them in a manner to be described later, so that a self-supporting structure is achieved.
To connect line feeds to the membrane and to the electrodes, each electrode carrier 1 has several upper grooves which, when the electrode carriers are assembled, form cable channels. Thus, in a tab-shaped part 7 of the illustrated electrode carrier, a groove 8 is provided for the introduction of a connecting cable or two connecting cables comprising several conductors, the groove 8 having two shoulders 9 as stops for strain relief of the connecting cables. Further grooves 10 are provided for feeding a total of four conductors of the connecting cable to the electrodes described later. Furthermore, a groove 11 is provided for feeding a further conductor of the connection cable to the membrane via a leaf spring 15.
A hemispherical recess 12 is used to receive a ball of a support device, while another groove 13 for receiving a leaf spring (not shown) is provided, which presses against said ball and thus a movement of the electrode carrier 1 or the electrostatic element with respect to the Tragvor direction inhibits. Bores 14 are used to connect the two elec trode support 1 to each other by means of screws, by tightening these more or less firmly
Screws an additional friction between the named ball and the recesses 12 can be adjusted. In the interior of the electrode holder three leaf springs 15 are also attached by means of a fastening piece 16.
These leaf springs are used to generate a constant membrane tension, which will be explained later. How out
Fig. 2 can be seen, the support surface 17 for the control electrode is concave.
In Fig. 3, an assembled from two electrode carriers 1 of FIGS. 1 and 2, attached to the support device Tes electrostatic element is partially shown. In the flap-shaped part 7 a ball pivot support 18 is aufgenom men and clamped by means of fastening screws 19.
A first connection cable 20 connects the electrostatic element with an audio frequency and DC voltage supply device, while a second connection cable 21 is provided for connection to the second electrostatic element. The outer sides of the partially illustrated electrostatic element are each covered with a foam protection filter 22 which is held in a fastening ring 23 attached to the electrode carrier.
A support device 24 for the two electrostatic
Elements is shown in FIG. This support device has a support ring which is bent into a ring
Steel band 25 with overlapping ends. In the area of the overlapping enders. is a clamping device
26 attached, which allows the diameter of the steel band ring 25 to be adjusted and fixed and thus to adapt to the individual head size. The steel band 25 is partially covered by two flexible sheaths 27, for example made of rubber, which serve on the one hand as a soft head rest and on the other hand to guide the connecting cable 21 (Fig. 3) connecting the two electrostatic elements, for which the sheaths 27 are designed as hollow profiles.
In Fig. 4, the resilience of the sleeves 27 is indicated by dashed lines their unloaded position and their position after placing the support device 24 on the head is shown.
The two pivoting ball supports 18 of FIG. 3 are fastened opposite one another on the steel band 25, these supports being in the form of cantilevers. After the carrying device 24 has been placed on the head, the steel band ring 25 can be adjusted so that the soft sleeves 27 rest above the ear area of the head and hold the flat electrostatic elements mounted on the pivoting ball supports 18 in the listening position in front of the ears. The two electrostatic elements can then be individually brought into the optimal position in front of the ear by rotating around the ball bearing, and the height can be regulated by adjusting the steel band ring 25.
Thanks to the pivoting position of the electrostatic elements around the ball bearing, the steel band ring 25 and the two elements can be folded flat against each other for transport or storage of the headphones, the front part of the steel band ring 25 also serving as a handle.
The structure of a completed electrostatic element will now be explained in more detail with reference to FIGS. 5 and 6, with only an edge region of the element in these figures on a large scale in a radial section (FIG. 5) and in a section along the line VI-VI of Fig.
5 is shown. The two identical electrode carriers 1 of FIGS. 1 and 2 made of a plastic are placed on top of one another in a matching manner and firmly connected to one another, for example by means of an adhesive. On its outside, the foam protection filter 22 is firmly connected to the electrode carrier 1, for. B. glued, fastening ring 23 held. Each electrode carrier 1 is provided with two essentially parallel, grid-shaped electrodes 26 and 27, of which the outer electrode 26 serves mechanically and electrically as a protective electrode and is, for example, connected to earth potential and the inner electrode 27 is provided as a control electrode, which is used to excite the Headphone an audio frequency voltage is supplied.
The grid electrodes 26 and 27 cover the entire area of the openings 2 bounded by the annular bearing surface 3 and the support ribs 4 (FIG. 1). Before the assembly of the electrostatic element, the grid electrodes 26 and 27 are placed in pairs on each electrode carrier 1, i.e. that is, its annular bearing surface 3 and the support ribs 4 (Fig. 1, 2) are thermally welded on. This double reinforcement of the electrode carrier 1 creates a sandwich-like structure of high rigidity and dimensional stability.
A vibrating membrane 28 is arranged symmetrically between the two inner grid electrodes 27. This thin, flexible, conductively coated membrane is pulled onto a retaining ring 29 with practically no tension before the assembly of the electrostatic element shown. A support ring 30, which is fastened to the support ring contact surface 5 and consists of a highly flexible foam of a well-defined thickness, serves to support the membrane 28 in the electrostatic element. During assembly, the membrane 28 is placed on the support ring 30 in the lower electrode carriers 1 in FIGS. 5 and 6, which are already provided with the grid electrodes 26 and 27 and the protective foam filter 22 held in place by the fastening ring 23. The upper electrode carrier 1 is then placed on the lower electrode carrier and glued to it in the outer edge zone 6.
The three leaf springs 15 attached to the upper electrode carrier 1 by means of the fastening pieces 16 (FIG. 1) press the retaining ring 29 of the membrane 28 downwards and tension the membrane 28 evenly over the outer edge of the flexible support ring 30, as can be seen from FIG can be seen. Of course, the four grid electrodes 26, 27 and a leaf spring 15 must be connected to the associated conductors of the connecting cables 20, 21 (FIG. 3) before the two electrode carriers 1 are assembled. As already mentioned, the protective electrodes 26 can be connected to the earth potential. A push-pull audio frequency signal is applied to the control electrodes 27 which, in terms of DC voltage, is at zero potential or at ground potential, that is to say e.g.
B. the secondary winding of an amplifier-fed low-frequency transformer whose center tap is connected to ground. A direct voltage is applied to the membrane 28 in a known manner, which is opposite to the aforementioned zero potential or
has a sufficiently high potential difference to the earth potential.
The flexible support ring 30 has two different functions:
First, together with the leaf springs 15, it compensates for dilatations or contractions of the membrane 28, so that on the one hand it is largely independent of external and membrane-internal influences (e.g. temperature fluctuations, plastic flow, aging) and on the other hand its symmetrical position between the two Maintains control electrodes 27, since only the outer edge of the flexible support ring 30 is squeezed. In particular, it has been shown that the present electrostatic element can be operated safely in a wide temperature range without its transmission properties deteriorating.
Second, the flexible support ring 30 acts as an effective damping element in the resonance frequency range of the membrane 28.
In order to avoid electrical flashovers in the event of large vibration amplitudes of the membrane or even contact of the membrane 28 with the control electrodes 27 and, on the other hand, a reduction in the efficiency in the edge areas with a large electrode spacing, it is advantageous to have the support surface 17 for the control electrodes 27 concave form, as shown in FIG.
In FIG. 7, in a section similar to FIG. 6, an exemplary embodiment which is slightly modified compared to the example in FIGS. 5 and 6 is shown. In this embodiment, a fastening ring 31, which corresponds to the fastening ring 23 of FIGS. 5 and 6, is rotatably arranged within a limited angular range. The fastening ring 31 is provided with a cam 32 which lies in a slot-like opening 33 in the annular part of the upper electrode carrier 1 in FIG. This opening limits the range of rotation of the fastening ring 31. The cam 32 has a beveled end face 34, which is provided to press increasingly on the leaf spring 15 when the fastening ring 31 is rotated and thereby to increase the pressure of the leaf spring on the membrane 28 .
In Fig. 7, the two end positions of the cam 32 are shown, the broken lines showing how the cam 32 presses the leaf spring 15 downward most strongly. Corresponding cams are of course also provided for the remaining leaf springs 15. In this way, the mechanical membrane tension can be adjusted to a certain extent.
The present electrostatic headphones have numerous advantages over known headphones:
The described shaping and fastening of the control electrodes ensures that even with large oscillation amplitudes, contact with the control electrodes through the membrane or electrical flashovers between the two is avoided and that, in addition, there is no reduction in the efficiency in the edge areas of the membrane, since the electrode spacing is not evenly large must be provided. The described mounting of the membrane on the support ring makes the frequency of the basic resonance of the membrane largely independent of environmental influences and also ensures that this frequency can be kept in a low range. In addition, this storage causes a strong damping of the basic resonance.
Due to the structure of the headphones described, a free, i. In other words, a sound field that is not disturbed by any acoustic obstacles is generated over a relatively large area, on the one hand because the sound-generating element itself is so acoustically transparent that no disruptive multiple reflections occur between the ear area and the headphones (the great acoustic transparency is achieved thanks to the support rib construction with welded electrodes, since a light metal net with minimal surface coverage can be used as the electrode material without loss of mechanical stability), on the other hand because the sound-generating elements can be hung in front of the ears using the carrying device described,
that neither the cheek nor the ear area are touched by parts of the headphones and that the sound field can spread freely around the ear.
In the close range, the sound intensity decreases rapidly with increasing distance from the sound-generating element.
Despite the open design, this results in a good acoustic separation of the two channels, which is essential for perfect stereophonic reproduction. The effect of the so-called acoustic short circuit also reduces the mutual crosstalk between the two channels at low frequencies (far field), but does not prevent the reproduction of low frequencies for the ear hearing in the near field of the membrane.
At high frequencies, on the other hand, the listener's head acts as a sound obstacle, which in turn also counteracts crosstalk.
The support rib construction described also prevents the occurrence of disruptive natural resonances of the electrodes. The carrying device described is perceived as pleasant even when it is worn for a long time. The forehead and occiput are not touched by the support ring.
Since the entire arrangement has a low center of gravity and rests stably on the head, it is unnecessary to fix it, as with known headphones, by resilient pressure on the head. The listener can only feel the headphone's own weight, which is very low thanks to the described construction of the electrode holder and the carrying device. Furthermore, the construction, which is separated into elements, allows them to be exchanged for replacement or repair.
On the whole, the present headphones are to be regarded as a middle way between familiar headphones and loudspeakers, combining the advantages of both systems, namely: independence from headphones from the acoustic properties of the playback room, good separation of both channels and the practical absence of noise pollution the environment, and from the loudspeaker fatigue-free listening without touching the ear area and high acoustic quality.