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Elektrodynamischer Kopfhörer Die Erfindung betrifft einen elektrodynamischen
Kopfhörer, dessen wirksame Membranfl.äche größer ist als die durchschnittliche Eingangsfläche
der Ohrmuschel.
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Derartige elektrodynamische Kopfhörer sollen unter verschiedenen,
im praktischen Betrieb vorkommenden Bedingungen gute übertragungseigenschaffen;
d. h. möglichst frequenzunabhängigen Schalldruck am Eingang des Ohres haben.
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Diesem Bestreben stehen im wesentlichen zwei Schwierigkeiten entgegen:
1. Bei dichtem Anschluß des Hörers an das Ohr wirkt der akustische Eingangswiderstand
des Ohres als zusätzliche mechanische Bewegungsimpedanz auf das schwingende System.
Dieser Eingangswiderstand ist in erster Näherung gleich dem Eingangswiderstand eines
hart abgeschlossenen Rohres, vermehrt um den Widerstand der Ohröffnung. Der Widerstand
entspricht bei tiefen Frequenzen im wesentlichen einer Kapazität (mechanisch: Federung),
bei mittleren Frequenzen (etwa 3000 Hz) einem rein ohmschen Widerstand (mechanisch:
Dämpfung) und bei höheren Frequenzen einer Induktivität (Masse). Bei sehr hohen
Frequenzen wäre ein Übergang zu wieder kapazitivem Charakter zu erwarten, doch läßt
sich dies infolge der Überlagerung anderer Phänomene nicht mehr nachweisen. Bei
diesen Frequenzen können Trommelfell und Gehörgang nicht mehr als schallhart angesehen
werden, und zudem macht sich die Beugung vom Außenrohr zum Gehörgang bemerkbar.
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Es läßt sich nun zeigen, daß ein mit konstanter Kraft angetriebenes,
kolbenförmiges Anregungssystem dann konstanten Schalldrruck am Eingang des äußeren
Ohres erzeugt, wenn die mechanische Bewegungsimpedanz des schwingenden Systems vorherrschend
durch die akustische Belastung des Ohres bestimmt wird. Um diese Bedingung in einem
möglichst weiten Bereich erfüllen zu können, ist es einerseits nötig, den Wellenwiderstand
des schwingenden .Systems möglichst klein zu halten. Dies erfordert bei gegebener
Eigenfrequenz, deren Bedingung weiter unten erläutert wird, eine möglichst geringe
Masse des schwingenden Systems, in vorliegenden Fall also eine möglichst leichte
Membran und Tauchspule. Anderseits soll, um eine günstige Transformation der akustischen
Impedanz des Außenohres auf die Membran zu erreichen, die Fläche des antreibenden
Systems (der Membran) möglichst größer als die Fläche des äußeren Ohreinganges (im
Mittel 3,2 cm2) sein. Unter Beobachtung dieser Bedingungen schwingt das System im
tiefen Bereich elastisch gehemmt, im mittleren Bereich reibungsgehemmt und im hohen
Bereich massegehemmt.
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2. Es zeigt sich nun, daß die Bedingung des dichten Anschlusses an
das Ohr im praktischen Betrieb nur sehr schwer und unter Belästigung des Trägers
zu erfüllen ist. Dies bewirkt aber einen je nach dem Grad der Ankopplung mit mehr
oder weniger Masse und Reibungswiderstand behafteten Ausgang zwischen Ohr und Hörermuschel
ins Freie. Die Membran des Kopfhörers wird nun nicht mehr von der Eingangsimpedanz
des Ohres belastet, sondern arbeitet mehr oder weniger als frei strahlender Schallsender.
Dies bewirkt jedoch bei bisher bekannten Systemen, besonders bei tiefen und tiefsten
Frequenzen ein empfindliches Absinken des Schalldruckes.
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Es ist nun bekannt, daß Kugelstrahler, je nach ihrer Art, Nahschallfelder
verschiedener Intensität erzeugen. Druck und Schnelle dieser Nahfelder sind um 90°
phasenverschoben, und das Nahfeld stellt daher, im Gegensatz zum Fernfeld, das für
die Leistungsabgabe der Quelle verantwortlich ist, eine reine Blindbelastung dar.
Mit Hilfe von praktisch leistungslosen Druck- oder Schnelleanzeigern kann dieses
Nahfeld jedoch nachgewiesen werden.
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Es ist ferner bekannt, daß Druck- bzw. Schnelleamplituden im Nahfeld
bei konstantem Abstand von der Quelle bei tiefen Frequenzen sehr hohe Werte annehmen
können.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen elektrodynamischen Kopfhörer
zu schaffen, bei dem die eingangs erwähnten Schwierigkeiten elektroakustischer Art
beseitigt sind. Dies wird dadurch erreicht, daß zum Ausgleich des Verlustes an Schalldruck
im Ohr, insbesondere bei den niedrigen Frequenzen, bei nicht dichtem Aufsitzen des
Hörers am Ohr ein akustischer Kurzschluß zwischen den Membranseiten, z. B. durch
Schallöffnungen an der Rückseite der Hörerkapsel ausgebildet ist, so daß ein einem
Kugelstrahler erster Ordnung entsprechendes Nahfeld aufgebaut wird.
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Eine weitere Ausbildung der Erfindung besteht darin, daß die zur Ausbildung
des akustischen Kurzschlusses vorgesehenen Öffnungen im Vergleich zur Membranfiäche
einen geringen Querschnitt besitzen, so daß durch ihre akustische Masse die Resonanzfrequenz
des schwingenden Systems in den Bereich der niedrigen Frequenzen verlegt wird.
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Da das Ohr bei losem Aufliegen des Hörers als praktisch leistungsloser
Druck- bzw. Schnelleempfänger im Nahfeld des Strahlers aufgefaßt werden kann, ist
es möglich, auf diese Weise den bei den bisher bekannten Systemen zu beobachtenden
Tiefenabfall bei loser Kopplung weitgehendst zu kompensieren.
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Von den bekanntgewordenen elektrodynamischen Wandlern, bei denen ebenfalls
eine akustische Verbindung zwischen Vorder- und Hinterseite der Membran über das
Gehäuse besteht, unterscheidet sich der erfindungsgemäße Wandler dadurch, daß er
ausschließlich zur Verwendung als Kopfhörer, also als Schallstrahler, ausgebildet
ist, wogegen die vorgenannten, bekannten Wandler nach dem elektrodynamischen Prinzip
ausschließlich Mikrophone darstellen, also nur als Schallempfänger verwendbar sind.
Bei diesen elektrodynamischen Mikrophonen soll die zur Verminderung der Wind- und
Stoßempfindlichkeit verhältnismäßig hoch gelegte Resonanzfrequenz der Membran durch
eine Massebelastung in Form von mit der Membran gekoppelten Luftstöpseln so weit
erniedrigt werden, daß ein ausgeglichener Frequenzgang resultiert.
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Bei dem erfindungsgemäßen Kopfhörer wird aber weder dieser Effekt
angestrebt, noch müssen die öffnungen so dimensioniert sein, daß sie eine den Frequenzgang
des Systems beeinflussende Massehemmung bewirken. Es soll vielmehr entsprechend
dem Erfindungsgedanken ein akustischer Kurzschluß zwischen den beiden Membranseiten
hergestellt werden, so daß der Wandler ein Nahfeld erzeugt. das jenem eines Kugelstrahlers
erster Ordnung entspricht. Dadurch ergibt sich, wie bereits eingangs ausgeführt,
eine Kompensation des Tiefenabfalles bei loser Kopplung, also bei nicht vollkommen
dichtem Anschluß des Kopfhörers an das Ohr, wie es ja allgemein in der Praxis der
Fallist.
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An Hand der F i g. 1. und 2, welche Ausführungsbeispiele zeigen, wird
die Erfindung näher erläutert. Das in F i g. 1 ersichtliche Ausführungsbeispiel
zeigt bei 1 die Membran des schwingenden Systems mit der Einspannung bei 2. Über
die niedere Luftkammer 3 ist die akustische Impedanz angekoppelt, welche den Reibungswiderstand
R4 und die Masse M4 enthält, die so bemessen sind, daß bei tiefen und mittleren
Frequenzen der gewünschte Frequenzgang erzielt wird. 6 ist die von der Ohrmuschel
5 umschlossene Eingangsöffnung des Ohres, die in den Gehörgang 7 weiterführt. Bei
8 ist die Öffnung mit der zugehörigen Masse Ms mit dem Reibungswiderstand R$ angedeutet,
die bei losem Aufliegen des Kopfhörers an das Ohr die Kammer 6 mit der Außenluft
verbindet.
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Bei hohen und höchsten Frequenzen verschwindet das Nahfeld und der
Schallaustritt von der Hinterseite der Membran ins Freie ist nicht mehr erforderlich.
Die Öffnungen nach hinten können daher, wie in F i g. 2 gezeigt ist, über Kammern
9 geführt werden, die bei tiefen Frequenzen ohne Einfluß sind (Tiefpässe), jedoch
bei hohen Frequenzen infolge ihrer Resonanzeigenschaften den Frequenzgang begradigen.
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Ebenso ist es mitunter im Interesse eines geradlinigen Frequenzverlaufes
zweckmäßig, akustische Impedanzen 10 an die Rückseite der Membran anzuschließen,
die von der Außenluft abgeschlossen und bei tiefen Frequenzen ebenfalls ohne Wirkung
sind.