DE1117647B - In ein Gehaeuse eingebauter Schallwandler - Google Patents

In ein Gehaeuse eingebauter Schallwandler

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DE1117647B
DE1117647B DEG26524A DEG0026524A DE1117647B DE 1117647 B DE1117647 B DE 1117647B DE G26524 A DEG26524 A DE G26524A DE G0026524 A DEG0026524 A DE G0026524A DE 1117647 B DE1117647 B DE 1117647B
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DE
Germany
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housing
membrane
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sound transducer
channels
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DEG26524A
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Dr Rudolf Goerike
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    • H04ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04RLOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R1/00Details of transducers, loudspeakers or microphones
    • H04R1/20Arrangements for obtaining desired frequency or directional characteristics
    • H04R1/22Arrangements for obtaining desired frequency or directional characteristics for obtaining desired frequency characteristic only 
    • HELECTRICITY
    • H04ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04RLOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R1/00Details of transducers, loudspeakers or microphones
    • H04R1/08Mouthpieces; Microphones; Attachments therefor
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  • Physics & Mathematics (AREA)
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  • Acoustics & Sound (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Otolaryngology (AREA)
  • Audible-Bandwidth Dynamoelectric Transducers Other Than Pickups (AREA)

Description

  • In ein Gehäuse eingebauter Schallwandler Schallwandler in handlicher Form, die sowohl zur Aufnahme als auch zur Wiedergabe von Schallwellen dienen, haben sich in der Praxis, insbesondere in Verbindung mit Diktiergeräten, bewährt, sofern nicht höhere Ansprüche an die Güte der Schallübertragung gestellt werden.
  • Die mangelnde Güte der Schallübertragung ist im wesentlichen darin begründet, daß für die Schallaufnahme und für die Schallwiedergabe die physikalischen Anforderungen an den Wandler verschieden sind.
  • Aus der einschlägigen Literatur ist bekanntgeworden, daß ein dynamischer Wandler, der sowohl als Schallsender als auch als Schallempfänger dienen soll, zur Schallaufnahme im System reibungsgehemmt, wenn die Rückseite der Membran in ein schalldichtes Gehäuse hineinwirkt, bzw. massengehemmt arbeiten muß, wenn die Membran beidseitig dem Schallfeld ausgesetzt ist. Als Schallstrahler hingegen muß der dynamische Wandler entsprechend dem Verhalten des Wirkanteiles des Strahlungswiderstandes stets massengehemmt schwingen.
  • Ferner ist bekannt, daß zur Schallaufnahme sogenannte Richtmikrophone mit nierenförmiger Richtcharakteristik am besten geeignet sind, weil sie Störgeräusche fernhalten und nachhallmindernd sind. Da grundsätzlich Richtmikrophone, deren Abmessungen klein gegenüber der Wellenlänge der Übertragungsfrequenz sind, den Druckgradienten als Antriebskraft erfordern, ist ein gegenüber der Wellenlänge der höheren Übertragungsfrequenzen kleiner Schallumweg von der Vorder- zur Rückseite der Membran erforderlich. Wird daher ein derartiger Schallwandler zur Wiedergabe verwendet, dann liegen besonders ungünstige akustische Verhältnisse vor, weil der kleine Schallumweg um die Membran herum den Ausgleich der von beiden Seiten der Membran abgegebenen Schallenergie bewirkt. Dadurch ergibt sich die Möglichkeit einer Übersteuerung der Membran « und das daraus resultierende Auftreten nichtlinearer Verzerrungen, da trotz großer Schwingungsamplitude keine ausreichende Nutzleistung abgegeben werden kann.
  • Gemäß der Erfindung wird diese störende Erscheinung dadurch vermieden, daß zwischen der Rückseite des Wandlers und der Rückseite des den Wandler umschließenden Gehäuses ein von außen betätigbarer Zweiwegeschieber od. dgl. vorgesehen ist, der in einer Stellung einen Weg von der Rückseite der Membran zur Außenluft herstellt, in der anderen Stellung hingegen die Membranrückseite von der Außenluft abschließt und auf einen Weg umschaltet, der von der Rückseite der Membran zu einer im Gehäuse vorhandenen Kammer bzw. zu einem oder mehreren Helmholtztresonatoren führt.
  • Durch die erfindungsgemäße Ausbildung werden mittels mechanischer Vorrichtungen die akustischen Eigenschaften für die verschiedenen Anforderungen so beeinflußt, daß der Schallwandler als Mikrophon eine Richtwirkung, vornehmlich in Form einer Cardioide oder einer Hypercardioide, als Schallgeber eine den optimalen Bedingungen für die Schallwiedergabe, insbesondere den niederen Frequenzen entsprechende Wellenausbreitung, zweckmäßig mit kugelförmiger Abstrahlung ergibt.
  • Aus der schweizerischen Patentschrift 195 377 ist zwar ein elektroakustischer Wandler bekanntgeworden, der als Mikrophon ausgebildet ist und dessen Gehäuse an der Rückseite einen Schieber aufweist; dieser ermöglicht aber nur von außen, das Luftvolumen hinter der Membran an eine weitere Luftkammer im Gehäuse anzuschließen oder von dieser zu trennen. Der Zweck dieser Einrichtung ist von jenem der Erfindung verschieden, denn es soll nur eine Frequenzkorrektur im Bereich der tieferen Tonfrequenzen eingestellt werden können.
  • Eine solche Korrekturmaßnahme erzielt jedoch nicht denselben Effekt, wie ihn der Erfindungsgegenstand besitzt. Infolge der Tatsache, daß nur eine Luftkammer zu- oder abgeschaltet werden kann, ist eine Überführung des schwingenden Systems von einem Hemmungszustand in einen anderen (Massehemmung in Reibungshemmung, oder umgekehrt) nicht möglich. Dies ist aber die Voraussetzung für eine Verbesserung der akustisch-elektrischen Umsetzung bei Wandlern kleiner Abmessungen, insbesondere bei solchen mit einseitiger Richtcharakeristik als Schallempfänger und kugelförmiger Richtcharakteristik als Schallsender, die sowohl zur Aufnahme als auch zur Wiedergabe von Schallwellen dienen sollen.
  • In einer praktischen Ausführungsform der Erfindung wird das Gehäuse des Schallwandlers mit einer mechanischen Steuervorrichtung versehen, die mit der elektrischen Schaltvorrichtung zur Umschaltung von Aufnahme auf Wiedergabe mechanisch gekoppelt sein kann. Die Kammer an der Rückseite der Membran wird hierbei in einfacher Weise durch das Gehäuse, z. B. des Diktiergerätes oder Teile desselben, gebildet.
  • Richtmikrophone nach dem dynamischen Prinzip, bei denen die EMK eine Funktion der Schnelle des schwingenden Systems ist, müssen durch die Druckgradientenkomponente ein überwiegend massegehemmtes schwingendes System enthalten. Schallsender mit einer Membran, deren Flächenausdehnung kleiner als die Wellenlänge des Schalles ist, müssen ebenfalls vorwiegend massegehemmt sein. Jedoch ist dafür zu sorgen, daß ein akustischer Kurzschluß von der Vorderseite zur Rückseite der Membran verhindert wird, im Gegensatz zum Mikrophon, bei dem der Schallumweg von der Vorderseite zur Rückseite der Membran kleiner als die Wellenlänge der höchsten Frequenz des Nutzfrequenzbereiches sein soll. Es liegen somit schwingungsmechanisch die gleichen Bedingungen vor (Massehemmung), jedoch muß beim Schallgeber die Rückseite der Membran von der Außenluft durch eine Kammer abgeschlossen oder die Membran in eine große Schallwand eingesetzt sein. Die Luftkammer an der Rückseite der Membran soll eine hinreichende Größe haben, um keine wesentlich größere Rückstellkraft zu bilden als die Randsteifigkeit der Membran. Beim Diktiergerätemikrophon wird zweckmäßig das Gehäuse des Mikrophons als Luftkammer verwendet.
  • In der Zeichnung sind verschiedene Ausführungsbeispiele eines erfindungsgemäß in ein Gehäuse eingebauten Schallwandlers veranschaulicht.
  • Abb. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Handmikrophons für Diktierzwecke im Schnitt; Abb.2 stellt den Querschnitt durch den im Zusammenhang mit der Erfindung wichtigen Teil des Schallwandlergehäuses in der Stellung als Mikrophon und Abb. 3 das Mikrophon im Schnitt mit der Stellung als Lautsprecher dar; Abb. 4 und 5 veranschaulichen die entsprechenden elektrischen Ersatzschaltbilder zu den Abb. 2 und 3 ; Abb. 6 gibt ein Detail der Steuervorrichtung wieder; Abb.7 und 8 zeigen Ausführungsbeispiele in schematischer Anordnung; Abb. 9 zeigt das Beispiel des zur Abb. 8 gehörenden Ersatzschaltbildes; Abb. 10, 11, 12 und 13 stellen Frequenzcharakteristiken des erfindungsgemäß in ein Gehäuse eingebauten Schallwandlers als Mikrophon und als Lautsprecher dar.
  • In Abb.1 ist im länglichen, zweckmäßig zweiteiligen Gehäuse 1 die Schallwandlerkapsel 2 angeordnet. Die Rückschale des Gehäuses 1 hat eine Öffnung 3, die koaxial zur Öffnung 2a der Kapsel 2 liegt. Ein die Öffnung 2a steuernder Schieber 4 mit Öffnung 5 und Ansatz 6 ist von der Taste 7, die zweckmäßig auch die elektrische Umschalteinrichtung 8 steuert, zu betätigen.
  • In Abb. 2 bzw. 3 sind die Steuerteile der Schallwandlerkapsel für die Arbeitsweise als Mikrophon bzw. als Schallgeber dargestellt. In Abb.2 decken sich die Öffnungen 2a, 3 und 5, wodurch auch die Rückseite der Membran dem Schallfeld ausgesetzt ist. Der mit R1 bezeichnete Reibungswiderstand dient dazu, eine etwa entstehende Überhöhung in der Frequenzkurve zu unterdrücken. Gemäß Abb. 3 ist der Schieber 4 verstellt und die Öffnung 3 verschlossen, so daß die Öffnung 2a nur mit dem Raum des Gehäuses 1 in Verbindung steht und der Schallwandler als Schallsender ohne akustischen Kurzschluß arbeitet. Der Widerstand R2 am Ansatz 6 wird dann vorgesehen, wenn eine leichte Absenkung der Frequenzkurve nach den niederen Frequenzen hin angestrebt wird.
  • In den Abb. 4 und 5 sind die elektrischen Ersatzschaltbilder zu den Ausführungsbeispielen nach den Abb. 2 und 3 dargestellt. In diesen bezeichnen EMK, und EMK2 die auf die beiden Seiten der Membran wirkenden Kräfte, M die Masse der Membran, M, die des Luftkanals zur Öffnung 2a, D die Rückstellkraft der Membran, D,, die des Luftpolsters hinter der Membran, D, die des Luftpolsters der Kapsel 2 und D3 des Luftpolsters im Gehäuse 1 und R den Reibungswiderstand zum Luftpolster in der Kapsel 2. Während der Schallwandler als Mikrophon in Abb. 2 bzw. 4 entsprechend der beiderseitigen Beaufschlagung der Membran zwei elektronische Kräfte als den phasenverschobenen Schalldrücken entsprechende Stromquellen hat, ist in Abb. 3 bzw. 5 nur eine elektromotorische Kraft dargestellt. Diese Darstellung entspricht dem Betriebszustand als Mikrophon, jedoch kann sie auch für den Schallgeber sinngemäß angewendet werden, weil die schwingungsmechanischen Verhältnisse analog sind.
  • In Abb. 6 ist der Schieber 4 schaubildlich dargestellt. Hinter der Öffnung 5 ist der Reibungswiderstand R1, vor der Öffnung 3 und vor dem Ansatz 6 der gegebenenfalls auf diesem vorgesehenen Reibungswiderstand R2 angedeutet. Die Reibungswiderstände sind auch aus den Abb. 2 und 3 ersichtlich.
  • In Abb. 7 ist ein Ausführungsbeispiel eines Schallwandlers wiedergegeben, der zwei Kanäle 9 und 10 enthält, die durch einen Schieber 11 gesteuert werden, der die Kanäle entweder mit der Außenluft oder mit dem Gehäuse verbindet.
  • Die Abb. 8 zeigt die Anordnung eines Schallwandlers mit zwei Kanälen 15, 16 für die Schallwiedergabe und einen gesonderten Kanal 17 für die Schallaufnahme. Die Schieber 18 (der auch als Rundschieber oder als Ventil ausgebildet sein kann) ist entsprechend ausgebildet und schließt entweder die in das Gehäuse einmündenden Kanäle 15, 16 oder den zum äußeren Schallfeld führenden Kanal 17. Selbstverständlich kann von beiden Arten der Kanäle eine beliebige Anzahl vorgesehen sein, ohne die Erfindung einzuschränken.
  • Die Abb. 9 zeigt das zu diesem Beispiel dargestellte Schaltbild.
  • Ein praktisch ausgeführtes Beispiel der Erfindung gemäß Abb.2 ergab in der Verwendung als Richtmikrophon eine Frequenzkurve gemäß Abb.l0. Die Frequenzkurve des Schallwandlers als Schallgeber gemäß Abb. 3 ist in Abb. 11 dargestellt. Wird jedoch der Schallwandler gemäß Abb.2 nicht als Mikrophon, sondern als Schallgeber betrieben, dann entsteht eine Frequenzkurve nach Abb. 12, in der der Abfall der Frequenzcharakteristik durch den akustischen Kurzschluß ersichtlich ist. Der Vergleich der Abb.11 und 12 läßt den technischen Fortschritt durch die erfindungsgemäße Anordnung deutlich erkennen.
  • Die Dimensionierung der akustischen Elemente im Schallwandler erfolgt in an sich bekannter Weise durch Heranziehung der elektrischen Ersatzschaltbilder. Wenn Abb. 2 und das zugehörige elektrische Ersatzschaltbild gemäß Abb. 4 herangezogen werden, dann ist für den Schallwandler als Mikrophon mit einseitiger Richtwirkung die Masse Ml des Luftstöpsels, bezogen auf die Membran, wobei = spezifisches Gewicht der Luft= 1,2-10-3g je cm3, l = Länge des Stöpsels in Zentimeter, F = Fläche der Membran in Quadratzentimeter, f = Querschnittsfläche des Luftstöpsels in Quadratzentimeter bedeutet. Die antreibende Kraft an der Membran samt Luftstöpsel Ml ist durch den Druckgradienten, das ist der Schalldruckunterschied zwischen der Vorderseite der Membran und der der Membran abgewandten Seite des Luftstöpsels, gegeben. Der Druckgradient nimmt mit abnehmender Frequenz ab, und zwar ab jener Frequenz, deren halbe Wellenlänge etwa dem Umweg von der Vorderseite der Membran um das Gehäuse herum zur Eintrittsöffnung zum Luftstöpsel an der Rückseite des Gehäuses entspricht. Damit ist der Druckgradient für niedere Frequenzen klein gegenüber dem Schalldruck an der Vorderseite der Membran. Daher ist der akustische Reibungswiderstand R wesentlich größer als der Scheinwiderstand desLuftstöpselsMl.
  • Wird der Schallwandler als Schallgeber verwendet (Abb. 3 und elektriscbes Ersatzschaltbild gemäß Abb. 5), dann ist infolge der hinreichend großen LuftkammerD3 ein akustischer Kurzschluß der von den beiden Seiten der Membran abgegebenen Schalleistung vermieden. Wird ein derartiger Schallwandler als Mikrophon gemessen, so ergibt sich eine Frequenzcharakteristik gemäß Abb. 13. Der Anstieg im Bereich der niederen Frequenzen ist durch die Resonanzüberhöhung des Schwingungskreises M-D-Ml-R2D3 gemäß Abb. 5 gegeben. Als Schallsender erfüllt dieser Wandler hinreichend die Bedingungen für die Schallwiedergabe. Denn nach der Theorie des Strahlers nullter Ordnung ist die Schalleistung L gegeben durch L=klco4Aa, (2) wobei a0 = 2 nv (Kreisfrequenz), A = Amplitude des Strahlers nullter Ordnung, k1 = eine frequenzunabhängige Größe, gegeben durch (3) R = Radius des Strahlers nullter Ordnung und v = Frequenz in Hertz, c = Schallgeschwindigkeit in cm/sec ist.
  • " Gleiche Leistung für Töne beliebiger Höhe -ergibt sich nur dann, wenn ist, d. h., die Membran muß so erregt werden, daß ihre Amplitude mit abnimmt. Aus der Schwingungslehre ist bekannt, daß diese Bedingungen nur mechanische Systeme erfüllen, deren Eigenschwingung unterhalb des zu übertragenden Bereiches liegt.

Claims (7)

  1. PATENTANSPRÜCHE: 1. In ein Gehäuse eingebauter Schallwandler, der sowohl als Richtmikrophon mit einseitiger Richtcharakteristik als auch als Schallsender verwendet wird, insbesondere bei Diktiergeräten, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Rückseite des Wandlers und der Rückseite des den Wandler umschließenden Gehäuses ein von außen betätigbarer Zweiwegeschieber od. dgl. vorgesehen ist, der in einer Stellung einen Weg von der Rückseite der Membran zur Außenluft herstellt, in der anderen Stellung hingegen die Membranrückseite von der Außenluft abschließt und auf einen Weg umschaltet, der von der Rückseite der Membran zu einer im Gehäuse vorhandenen Kammer bzw. zu einem oder mehreren Hehnholtzresonatoren führt.
  2. 2. Schallwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die mechanische Schaltvorrichtung, wie Gleitschieber (4), Drehschieber, Ventil od. dgl., mit der elektrischen Umschalteinrichtung gekoppelt ist.
  3. 3. Schallwandler nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kammer an der Rückseite der Membran durch das Gehäuse (1) oder Teile desselben gebildet ist.
  4. 4. Schallwandler nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die von der Rückseite der Membran zum äußeren Schallfeld geführten Kanäle (2a, 9, 10, 17) der Schallwandlerkapsel (2) sich mit Öffnungen (3 bzw. 5) im Gehäuse (1) bzw. eines Schiebers (4) decken und von letzteren nach außen verschließbar sind, in welchem Zustand gleichzeitig die Verbindung der Kanäle (2a, 9, 10) mit dem Innenraum des Gehäuses (1) als abgeschlossene Kammer hergestellt ist.
  5. 5. Schallwandler nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß von der Rückseite der Membran Kanäle (15,16) in das Gehäuse und gesonderte Kanäle (17) durch Öffnungen (3 bzw. 5) im. Schieber (18) und der Gehäusewand ins Freie führen, wobei sämtliche Kanäle (15, 16, 17) entsprechend der Verwendungsart des Schallwandlers von einem einzigen mechanischen Schaltorgan (18) steuerbar sind.
  6. 6. Schallwandler nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß vor den Austrittsöffnungen (3) des Gehäuses akustische Reibungswiderstände (R) angeordnet sind.
  7. 7. Schallwandler nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daB die Schaltorgane (4) mit akustischen Reibungswiderständen (Ra) versehen sind, über welche die Verbindung der Kanäle (2a, 9, 10) mit der Gehäusekammer bei verschlossenen Austrittsöffnungen (3) hergestellt ist. In Betracht gezogene Druckschriften: Schweizerische Patentschrift Nr. 195 377.
DEG26524A 1958-06-25 1959-03-02 In ein Gehaeuse eingebauter Schallwandler Pending DE1117647B (de)

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Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CH195377A (de) * 1934-12-29 1938-01-31 Bell Telephone Mfg Akustische Vorrichtung.

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CH195377A (de) * 1934-12-29 1938-01-31 Bell Telephone Mfg Akustische Vorrichtung.

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