DE1048293B - Elektroakustischer Wandler, insbesondere als Lautsprecher oder Mikrophon, nach dem Kondensatorprinzip - Google Patents

Description

DEUTSCHES

Die Erfindung bezieht sioh auf einen elektroakustischen Wandler auf elektrostatischer Grundlage, also auf ein Gerät, das elektrische Energie in Schallenergie oder Schallenergie in elektrische Energie verwandelt. Im ersten Fall stellt das Gerät somit etwa einen Laut-Sprecher dar, im zweiten Fall etwa ein Mikrophon. Der Einfachheit halber soll die Erfindung nachstehend an Hand eines Lautsprechers erläutert werden.

Bei elektrostatischen Lautsprechern bildet die Membran die eine Belegung und eine feststehende Platte oder ein Plattenpaar die andere Belegung eines Kondensators. Änderungen der an dem Kondensator liegenden S teuer Spannung bewirken, daß die Membran sich synchron mit der Spannung bewegt. Dabei sind die auf die Membran wirkenden Zug- und Druckkräfte Funktionen der Spannung, des Abstandes und des Dielektrikums.

Bekannte Lautsprecher dieser Art bestehen aus einer elektrisch leitenden Membran und mindestens einer dazu parallel liegenden schalldurchlässigen und gleichfalls elektrisch leitenden Platte sowie einem Überzug aus Isolierstoff, der Platte und Membran elektrisch trennt. Dies gilt auch für den elektroakustischen Wandler nach der Erfindung. Gemäß der Erfindung besteht der Überzug aus vorragenden, nichtleitenden, nachgiebigen Fasern, die die Membran in Abstand von der Platte halten. Auf diese Weise erhält die Membran eine über ihre ganze Fläche gleichmäßig verteilte nachgiebige, isolierende Halterung, die eigenschwingungsfrei ist und der Bewegung der Membran einen geringen Widerstand entgegensetzt.

Obwohl die Erfindung auch in den verhältnismäßig seltenen Sonderfällen anwendbar ist, in denen der Kondensator nur aus zwei Belegungen besteht, der Membran also nur eine einzige feste Platte gegenübersteht, ist sie doch in erster Linie für den weitaus wichtigeren Fall bestimmt, daß die Membran zwischen zwei festen Platten liegt.

Die aus vorragenden, nachgiebigen Fasern bestehende Schicht befindet sich bei der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung auf der schalldurch-' lässigen Platte. Sie kann durch das bekannte Verfahren des Benockens aufgebracht werden, mittels dessen es gelingt, die Fasern so anzuordnen, daß sie im wesentlichen senkrecht zur Plattenoberfläche ausgerichtet sind. Dabei können die Platten aus Drahtgewebe bestehen, wie es gleichfalls bei elektrostatischen Lautsprechern an sich bekannt ist.

Da sich die nachgiebige Halterung der Membran beim Lautsprecher nach der Erfindung gleichmäßig über die ganze Fläche erstreckt, kann man die Membran außerordentlich dünn und nachgiebig ausführen, ohne befürchten zu müssen, daß sie sich infolge ihrer geringen mechanischen Widerstandsfähigkeit unzu-Elektroakustischer Wandler, insbesondere als Lautsprecher oder Mikrophon,

nach dem Kondensatorprinzip

Anmelder:

Pickering Associates, Incorporated,
Oceanside, N. Y. (V. St. A.)

Vertreter: Dr.-Ing. G. Eichenberg, Patentanwalt,
Düsseldorf, Cecilienallee 76

Beanspruchte Priorität:

V. St. v. Amerika vom 21. Dezember 1954

und 9. November 1955

Theodore Lindenberg, West Islip, N. Y. (V. St. A.),
ist als Erfinder genannt worden

lässig verformt. Eine solche Membran kann aus einer Metallfolie bestehen, die beiderseits mit einem Film aus nichtleitendem Stoff überzogen ist, und zwar insbesondere einem Stoff von verhältnismäßig hoher Dielektrizitätskonstante, beispielsweise Polyesterharz. Dieser Aufbau erlaubt es, wegen der durch den Film erhöhten elektrischen Festigkeit den Abstand zwischen den Metallbelegungen klein zu halten. Dazu kommt erhöhte Kapazität, wenn die Dielektrizitätskonstante des Films relativ groß ist. In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung können die Fasern von im wesentlichen gleicher Länge bestehen.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung soll das in der Zeichnung dargestellte Ausführungsbeispiel dienen. In der Zeichnung ist

Fig. 1 ein Lautsprecher nach der Erfindung in einem Aufriß, in welchem einzelne Teile weggebrochen sind,

Fig. 2 ein Querschnitt nach Linie 2-2 in Fig. 1,

Fig. 3 ein Querschnitt nach Linie 3-3 in Fig. 1,

Fg. 4 eine Teilansicht von zwei mit Fasern versehenen Drahtgittern, die die Membran zwischen sich halten,

Fig. 5 eine raumbildliche Darstellung zweier Drahtgitter und der dazwischen angeordneten Membran in auseinandergenommenem Zustand,

Fig. 6 eine raumbildliche Darstellung des Rahmens des Lautsprechers,

809 728/179

Fig. 7 eine Darstellung des Aufbaues der Membran in den Einzelheiten und

Fig. 8 ein Schaltschema einer zum Betrieb des Lautsprechers dienenden elektrischen Anlage.

Gemäß Fig. 6 hat der Lautsprecher einen Rahmen 20, der im wesentlichen aus dünnen Holzteilen, den Seitenplatten 21 und 22 in der Form zweier identischer Kreissegmente besteht. Holzstäbe 23, 24 und 25 von rechteckigem Querschnitt sind mit ihren Enden an den Seitenplatten 21 und 22 derart befestigt, daß sie diese starr und parallel zueinander halten. Die Seitenplatte 21 hat Nuten 26 und 27, in denen sich Schlitze 28 und 29 befinden. Ein dünner Streifen 30 aus Schwammgummi ist auf den mittleren Stab 24 aufgelegt, um Schwingungen zu absorbieren und den mittleren Teil des Drahtgitters 31 zu isolieren, welches auf diesen Streifen aufgelegt wird (Fig. 3 und 5). Dieses Drahtgitter 31 und ein ähnliches Gitter 32 sind akustisch durchlässig und bestehen deshalb aus einem Gewebe von galvanisiertem Eisendraht mit etwa sechs Drähten pro Zentimeter und einem Drahtdurchmesser von etwa 0,25 mm, so daß sich verhältnismäßig große Maschen in den Gittern ergeben. Jedes dieser Gitter 31, 32 ist mit Borsten oder Fasern 33, 34 aus Baumwolle, Kunstseide, Glasfaser oder anderem nichtleitendem Stoff beflockt.

Verfahren zum Beflocken eines Drahtgitters sind bekannt, und zwar kann das Beflocken elektrostatisch, durch mechanische Vibration oder in anderer Weise geschehen. In jedem Fall werden die Drähte des Gitters zunächst mit einem Überzug aus Emaille od. dgl. versehen, der sich in flüssigem oder halbplastischem Zustand befindet. Beim elektrostatischen Beflocken werden Fasern gleicher Länge auf die so vorbereitete Oberfläche etwa mittels einer Spritzpistole gesprüht, während eine Spannung in der Größenordnung von 10 000 Volt zwischen der Pistole und dem Gitter liegt. Die elektrostatische Wirkung hat zur Folge, daß die Fasern auf dem Gitter senkrecht stehen und so einen Flor bilden. Ihre Enden verankern sich dabei in dem Überzug aus Emaille od. dgl. und werden somit, wenn der Überzug erhärtet, in ihrer Stellung fest mit dem Drahtgitter verbunden, so daß sie zusammen eine Unzahl kurzer Borsten oder Fasern bilden, die über das Drahtgitter nahezu gleichmäßig herausstehen, und zwar zum größten Teil senkrecht dazu. Beim mechanischen Beflocken wird das Drahtgitter in Vibration versetzt, während man die Fasern auf die vorbereitete Oberfläche sprüht oder fallen läßt. Bevorzugt ist das elektrostatische Verfahren, weil die einzelnen Fasern dann im wesentlichen senkrecht zu dem Drahtgitter stehen, wenn die Emaille erhärtet, während sie bei dem mechanischen Verfahren unter verschiedenen Winkeln zum Drahtgitter liegen. Allerdings wird bei der mechanischen Methode eine etwas gleichförmigere Verteilung der Fasern erreicht.

Längs dem Umfang des Drahtgitters 31 ist ein Dichtungsstreifen 35 aus Gummi angeordnet, der mit den freien Enden der Fasern 33 am Rand des Gitters verleimt ist. Dieser Streifen ist höchstens so dick wie die doppelte Länge einer Faser zuzüglich der Dicke der Membraneinheit 36, die zwischen den Gittern 31 und 32 liegt. Die Membran ist ein sehr leichter, dünner und biegsamer Film, bei dem das Verhältnis der Festigkeit zur Masse groß ist. Sowohl die geringe Masse als auch die geringe Steifigkeit der Membran machen diese Größen zu vernachlässigbaren Faktoren bei der Bestimmung des Widerstandes der Membran gegen Verschiebung in der Faserhalterung senkrecht zvl ihrer Fläche als auch im Hinblick auf die Resonanzfrequenz. Bei dem dargestellten Lautsprecher besteht die Membraneinheit 36 (Fig. 7) aus zwei Filmen 37 und 38 aus Polyesterharz, je von einer Dicke von etwa 0,0065 mm. Der Film 38 hat auf einer seiner Seiten einen Überzug 39 aus Aluminium oder einem anderen elektrisch leitenden Stoff. Der leitende Überzug wird mittels irgendeines bekannten Metallisierverfahrens aufgebracht und hat vorteilhaft eine Dicke in der Größenordnung von 25 Millimikron. Der Film

ίο 37 berührt den Aluminiumüberzug 39. Seine Ränder überlappen die nicht mit Aluminiumüberzug versehene Seite des Films 38. Eine elektrische Leitung 40, die aus der Membraneinheit 36 herausragt, ist elektrisch an die Aluminiumschicht angeschlossen und dient dazu, Spannung an die Schicht zu legen, wie weiter unten beschrieben wird.

Die Membraneinheit 36 stellt die schwingende Kondensatorplatte dar und bildet daher das akustisch wirksame Element des Lautsprechers. Die Filme 37 und 38 dienen zur Isolierung der Aluminiumschicht 39 und setzen dadurch die elektrische Ableitung herab. Der Film erhöht die elektrische Festigkeit der Anordnung. An sich ist es möglich, auf beide Filme 37 und 38 oder auch nur einen davon zu verzichten.

Die Membraneinheit 36 liegt auf der Innenseite des Dichtungsstreifens 35 und wird von den freien Enden der Fasern 33 und 34 gehalten. Diese Fasern liegen mit gewissem Druck an beiden Seiten der Membraneinheit 36 an, so daß die Membran nachgiebig und gewissermaßen schwebend zwischen den beiden feststehenden Drahtgittern gehalten wird. Der Widerstand der Membraneinheit 36 gegen Verstellung und ebenso ihre Resonanzfrequenz können geändert und nötigenfalls auf den gewünschten Wert gebracht werden. Dies geschieht dadurch, daß die Abstände der Fasern und ihre Steifigkeit entsprechend gewählt werden. Man kann also durch Erhöhung der Faserzahl und Fasersteifigkeit den Widerstand der Membraneinheit 36 gegen Verstellung und ihre Resonanzfrequenz erhöhen, während Herabsetzung der Faserzahl und Fasersteifigkeit eine Verminderung des Widerstandes und der Resonanzfrequenz zur Folge hat. Faserabstand und Fasersteifigkeit werden so gewählt, daß alle Teile der Membraneinheit in der Mitte zwischen den beiden feststehenden Drahtgittern 31 und 32 gehalten werden, solange keine elektrische Spannung angelegt ist, und derart, daß alle Teile der Membraneinheit 36 in ihre mittlereLage zurückkehren, wenn die Membraneinheit durch eine Spannung in der einen oder anderen Richtung verstellt war und die Spannung zu Null gemacht wird. Der Lautsprecher spricht dann über einen großen Frequenzbereich im wesentlichen gleichförmig und verzerrungsfrei an. Innerhalb der durch diese Regeln gezogenen Grenzen können Zahl und Abstand der Fasern weitgehend geändert werden.

Wird eine entsprechende Vorspannung (oder polarisierende Spannung) an die Drahtgitter 31, 32 und die Membraneinheit 36 gelegt, wie unten im einzelnen noch beschrieben werden wird, so stellen sich elektrostatische Anziehungskräfte zwischen den beiden Gittern 31 und 32 und ebenso zwischen jedem Gitter und der Membraneinheit 36 ein. Der dadurch hervorgerufenen Bewegung der Membran wirken dann nur die Fasern entgegen.

Zwei Leitungen 41 und 42, die mit den Drahtgittern 31 und 32 verbunden sind, laufen entlang der Seitenplatte 21, durch die Nut 26 und den Schlitz 28 und sind an die Klemmen 43 und 44 auf einer Klemmleiste 45 angeschlossen, die an der Seitenplatte 21 innerhalb des Rahmens befestigt ist (vgl. Fig. 2). In gleicher

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Weise läuft die Leitung 40 durch die Nut 27 der Seitenplatte21 und durch den Schlitz29, um an die dritte Klemme 46 auf der Klemmleiste 45 angeschlossen zu werden. Die nötigen Spannungen können durch diese Klemmen leicht an die Gitter 31 und 32 und die Membraneinheit 36 gelegt werden.

Zur Abdeckung dient ein akustisch durchlässiges Tuch 46', das über das äußere Gitter 32 gelegt und am Rahmen 20 durch Nägel 47 und 48 befestigt ist.

Der Lautsprecher kann als einziger Lautsprecher einer Anlage dienen oder in Verbindung mit einem im niederen Frequenzbereich arbeitenden Lautsprecher den höheren Frequenzbereich decken. Nur für den ersten Fall sei eine Schaltung (Fig. 8) beschrieben. Die Schaltung enthält einen üblichen Tonfrequenzverstärker 46" in Gegentakt-B-Schaltung, der SteuerspannungenEj und E₂ von im wesentlichen gleicher Größe und entgegengesetzter Phase liefert. Über den Kondensatoren 47' und 49' liegt die Spannung E₁ an den beiden Gittern 31 und 32 und über den Konden- ao sator 48' die Spannung E₂ an der Membraneinheit 36. Entgegengesetzt gleiche Vorspannungen E₃ und JS₄ sind über hochohmige Widerstände 50 und 51 an die festen Drahtgitter 31 und 32 gelegt. Für die Spannungen E₃ und .E₄ sind etwa 500 und -500VoIt erforderlich, so daß zwischen den Gittern 31 und 32 eine Spannung von 1000 Volt liegt. Die Widerstände 50 und 51 sind in der Größenordnung von 2 bis 5 Megohm.

Die Membraneinheit 36 ist über den hochohmigen Widerstand 52 an den geerdeten Mittelpunkt der Gleichstromquelle angeschlossen. Zwischen der Membraneinheit und den beiden Gittern stellen sich daher gleiche elektrostatische Kräfte ein, wenn die Platten in gleichem Abstand von der Membran liegen. Da es jedoch etwas schwierig ist, sicherzustellen, daß die Gitter von der Membran gleichen Abstand haben, ist die Membraneinheit außerdem an den verstellbaren Abgreifer 53 des Potentiometers 54 angeschlossen, dessen Enden mit den Gittern 31 und 32 verbunden sind. Auf diese Weise können die Spannungen zwischen der Membraneinheit 36 und den beiden Gittern eingestellt und nötigenfalls ungleich gemacht werden, um kleine Unterschiede im Abstand der Membran von den Gittern praktisch wieder auszugleichen. Die Wirkung dieser Verstellung besteht darin, daß die auf die Membran wirkenden elektrostatischen Kräfte nahezu einander gleichgemacht werden, so daß diese Kräfte sich gegenseitig aufheben.

Ein Mikrophon nach der Erfindung kann im wesentlichen ebenso gebaut sein, wie der beschriebene Lautsprecher, obwohl dann natürlich an die Stelle der beschriebenen Schaltung eine Schaltung tritt, welche die durch Bewegungen der Membran erzeugten Potentialänderungen dem Gitter eines Verstärkers zuleitet.

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Elektroakustischer Wandler, insbesondere als Lautsprecher oder Mikrophon, nach dem Kondensatorprinzip, bestehend aus einer elektrisch leitenden Membran und mindestens einer dazu parallel liegenden schalldurchlässigen, elektrisch leitenden Platte, die mit der Membran einen Kondensator bildet, wobei die eine Belegung einen Überzug aus Isolierstoff trägt, der sie von der anderen Belegung elektrisch trennt, dadurch gekennzeichnet, daß der Überzug aus vorragenden, nichtleitenden, nachgiebigen Fasern (33, 34) besteht, die die Membran (36) in Abstand von der Platte (31, 32) halten.

2. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Faserüberzug (33, 34) auf der schalldurchlässigen Platte (31,32) angebracht ist.

3. Wandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (36) zwischen zwei schalldurchlässigen Platten (31, 32) angeordnet und beiderseits durch Fasern (33, 34) in Abstand von den Platten gehalten ist.

4. Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Platte oder Platten (31, 32) aus Drahtgewebe bestehen.

5. Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern (33, 34) auf die Platten (31,32) durch Beflocken derart aufgebracht sind, daß sie im wesentlichen senkrecht zur Plattenoberfläche ausgerichtet sind.

6. Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern (33, 34) aus Glasfaserfäden von im wesentlichen gleicher Länge bestehen.

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45 In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschriften Nr. 523 094, 551 035,

885, 611783;

Zeitschrift »Radio Magazin und Fernseh Magazin«,

1/1954, S. 21.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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