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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Eine solche Korrekturmaßnahme erzielt jedoch nicht denselben Effekt,
wie ihn der Erfindungsgegenstand besitzt. Infolge der Tatsache, daß nur eine Luftkammer
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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.
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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.
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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.
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In der Zeichnung sind verschiedene Ausführungsbeispiele eines erfindungsgemäß
in ein Gehäuse eingebauten Schallwandlers veranschaulicht.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Die Abb. 9 zeigt das zu diesem Beispiel dargestellte Schaltbild.
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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.
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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.
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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.
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" 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.