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Verfahren zum Herstellen einer Titanmembran für akustische Apparate
Die Erfindung betrifft eine für akustische Apparate bestimmte Membran, welche aus
Titan besteht.
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Zum Herstellen von akustischen Membranen wird bekanntlich im allgemeinen
als Werkstoff Duralumin verwendet.
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Aus A. j. M. E., Transaktions, Bd. 197/1953,
Metals Branen, S. 335, »Strain Aging«, ist bekannt, daß technisch reines
Titan, das kalt verformt worden ist, dann optimale Festigkeitseigenschaften erhält,
wenn es bei etwa 300 bis 400' C wärmebehandelt wird. Aus der
S. 331 des gleichen Bandes geht hervor, daß für die Untersuchungen eines
kalt verformten Bleches das Material gewalzt wurde. Es wird dagegen nicht erwähnt,
daß es sich um eine Membran handelt, welche dadurch entstanden ist, daß ein Titanblech
gezogen und geformt wurde. Aus der genannten Schrift geht ferner hervor, daß die
fortdauernde Verformung des Titanbleches durch die Wärmebehandlung reduziert werden
kann, ohne das Herstellungsstadium zu berücksichtigen.
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Im Vergleich mit Duralumin weist das Titan ein gleiches Verhältnis
Festigkeit zu Dichte, eine größere Widerstandsfähigkeit gegen Korrosion und eine
kleinere Wärmeausdehnungszahl auf. Ferner läßt sich das Titan leichter strecken
und formen als Duralumin. Aus diesen Gründen scheint die Membran aus Titan für akustische
Apparate hoher Qualität, wie beispielsweise Geräte zum Messen akustischer Größen,
besonders geeignet zu sein.
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Es ist jedoch zu bemerken, daß sich bei ständiger Beanspruchung, wie
sie bei Fernhörern und Kondensatormikrophonen auftritt, der Wirkungsgrad einer Titanmembran
wegen der fortdauernden Verformung allmählich ändert.
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Ziel der Erfindung war die Herstellung einer Meinbran für akustische
Apparate, deren Wirkungsgrad praktisch unverändert bleibt und bei welcher eine stabilisierte
Resonanzfrequenz erzielt werden kann.
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Dieses Ziel wird auf die folgende Weise erreicht. Durch die Wärmebehandlung
der Titamnembran und durch die Auferlegung einer Spannung vor der Wärmebehandlung
wird die Resonanzfrequenz bereits nach 6stündiger Wärmebehandlung stabilisiert.
Wenn der Membran die Spannung nach der Wärmebehandlung auferlegt wird, so wird keine
stabilisierte Resonanzfrequenz erzielt, obwohl die Membran einer Wärmebehandlung
unterworfen wurde. Es ist also wesentlich, daß eine Spannung vor der Wärmebehandlung
der Membran auferlegt wird und daß die Membran nachher einer Wärniebehandlung ausgesetzt
wird.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen einer Titanmembran für
aktistische Apparate ist dadurch gekennzeichnet, daß ein Titanblech zur Meinbran
geformt wird und daß die Membran einer Wärmebehandlung unterworfen wird, wobei die
Temperatur der Wärmebehandlung oberhalb der Temperatur der Alterungsbeanspruchung
des Titans und unterhalb der Temperatur der Umkristallisierung des Titans liegt
und daß der Titanmeinbrane vor der Wärmebehandlung eine Spannung auferlegt wird.
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Nach einer bevorzugten Ausführung des Verfahrens wird die Wärmebehandlung
der Membran in dem Zustand durchgeführt, bei welchem die Beanspruchung angelegt
wird.
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Versuche haben gezeigt, daß eine durch erzwungene Alterung erhaltene
Membran aus Titan praktisch keine Formänderung infolge der fortdauernden Verformung
aufweist, wenn sie für Fernhörer bzw. Kondensatormikrophone gebraucht wird.
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An Hand der Zeichnungen wird der Erfindungsgegenstand näher erl`äutert.
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Fig. 1 zeigt eine graphische Darstellung der Resonanzfrequenz
einer Membran für einen Kondensatormikrophon, wobei die Abszissen die Zeit darstellen;
Fig. 2 zeigt in Abhängigkeit der Luftspaltlänge den Druck, welcher auf eine Membran
für Fernhörer wirkt; Fig. 3 stellt in Abhängigkeit von der Zeit die Formänderung
einer Membran für Fernhörer dar, unter Voraussetzung einer Belastung von
100 g,
Bei Kondensatormikrophonen wird die Membran stets
einer Beanspruchung von etwa 15 krn/mm2 ausgesetzt. Infolgedessen streckt
sich die Membran allmählich, und die auf sie wirkende Beanspruchung wird kleiner,
so daß auch die Resonanzfrequenz herabgesetzt wird ' Der Wirkungsgrad des
Mikrophons wird daher nach und nach kleiner.
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Die Resonanzfrequenz der Membran, welche aus einem Titanblech ohne
erzwungene Alterung besteht, sinkt mit der Zeit gemäß der Kurve I der Fig.
1. Aus dieser Figur ergibt sich, daß die Membran erst nach etwa
1 Jahr stabilisiert wird, d. h., daß die Formänderung der Membran
erst nach einem Jahr aufhört, so daß die Membran erst dann nützlich verwandt werden
kann. Die Kurve II der Fig. 1 zeigt andererseits die Veränderung der Resonanzfrequenz
einer Membran, welche im Zustand, in dem die Beanspruchung nach der Bildung des
Titanbleches angelegt wird, einer Wärmebehandlung in Luft mit einer Temperatur von
200' C während einer Dauer von 6 Stunden unterworfen wurde.
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Während der Wärmebehandlung sinkt plötzlich die Resonanzfrequenz,
wie in Fig. 1 mit der punktierten LinieB gezeigt ist. Nach der Wärmebehandlung
ist jedoch die Kurve der Resonanzfrequenz merkwürdig stabilisiert, wie in Fig.
1 bei der Strecke d-e der Kurve II klar angegeben ist.
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Der Wert der Resonanzfrequenz der Strecke d-e in Fig. 1 entspricht
ungefähr demjenigen. der Resonanzfrequenz, die eine der erfindungsgemäßen Wärmebehandlung
nicht ausgesetzte Membran nach einem Zeitraum von verschiedenen Jahrzehnten aufweisen
würde.
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Es ist zu bemerken, daß bei einer Membran für Kondensatormikrophone
keine stabilisierte Resonanzfrequenz erzielt werden kann, wenn der Membran die Beanspruchung
nach der Wärniebehandlung auferlegt wird, wie die Kurve II der Fig. 1 klar
angibt.
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Eine Membran für, Fernhörer ist stets einer Zugkraft eines Permanentmagneten
unterworfen. Der Wert dieser Zugkraft ist vom Luftspalt abhängig, wie aus Fig. 2
ersichtlich ist. Bei einem Betriebsluftspalt L beträgt diese Zugkraft etwa
300 g. Wenn der Luftspalt Null z5 ist, beträgt die Zugkraft etwa 1000 g.
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Infolge der durch diese Zugkraft ausgeübten Wirkung wird die Membran
verformt, der Luftspalt verkleinert und der Wirkungsgrad des Fernhörers herabgesetzt.
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Wird eine Membran aus Titan ohne erzwungene Alterung einer Belastung
von etwa 1000 g unterworfen, so wird ihre Verformung durch die Kurve I der
Fig. 3 in Abhängigkeit der Zeit dargestellt. Wenn jedoch die gleiche Belastung
von 1000 g einen aus einem Titanblech hergestellten Membran, welche einer
Wärmebehandlung bei einer Temperatur von etwa 200' C während 10 Stunden
unterworfen wurde, auferlegt, tritt eine Verformung auf, die durch die Kurve II
dargestellt ist. Aus Fig. 3 ergibt sich, daß die Verformung der Membran,
die der Wärmebehandlung unterworfen wurde, 3 [t nicht überschreitet und daß
die Verformungsfähigkeit nach 100 Stunden sehr klein ist.
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Demzufolge wird der Wirkungsgrad des Fernhörers, bei welchem eine
wärmebehandelte Membran aus Titan verwendet wird, durch Gebrauch wenig geändert.
je höher die Temperatur der-Wärmebehandlang, desto kürzer die Dauer derselben ist.
Weil das Titan bei einer Temperatur von etwa 400' C umzukristallisieren und
zu oxydieren- beginnt, ist es jedoch erforderlich, die Temperatur der Wärmebehandlung
unterhalb 400' C zu halten.' Die Alterungsbeanspruchung des Titans erscheint
schon bei Zimmertemperatur. Würde jedoch die Wärmebehandlung bei einer Temperatur
unterhalb 100' C durchgeführt, so würde viel Zeit erforderlich sein, bevor
die Wirkung der Wärrnebehandlung erzielt werden könnte, was selbstverständlich vom
praktischen Standpunkt aus nicht erwünscht'ist. Infolgedessen muß die Wärmebehandlung
mit einer Temperatur zwischen 100 und 400' C durchgeführt werden.