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Kapazitiver Wandler zur Umformung von mechanischer in elektrische
Schwingungsenergie, insbesündere für elektrische Musikinstrumente Die Erfindung
betrifft einen Wandler zur Umformung von mechanischer in elektrische Schwingungsenergie,
bei welchem wenigstens eine schwingungsfähige Elektrode mit mehrfachen gehäusefesten
Gegenelektroden einen Mehrfach-Kondensator bildet.
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Die Entwicklung elektrischer Musikinstrumente hat große Fortschritte
machen können, weil man erkannt hat, daß solche Instrumente eine weitgehende Beeinflussung
des Klanges ermöglichen. Durch preisgünstige Mittel zur Erzeugung der Klänge und
zu deren Formung wird die Anwendung solcher elektrischer Instrumente auf eine breitere
Grundlage gestellt.
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Der Erfindung liegt die Überlegung zugrunde, daß der Preis selbst
eines vielstimmigen elektrischen Musikinstrumentes in dem Maße niedrig gehalten
werden kann, in welchem es gelingt, marktgängige, bestimmten Tonfrequenzen zugeordnete,
mechanische Schwingsysteme ohne nennenswerten zusätzlichen Aufwand zu geeigneten
Wandlern umzugestalten, die eine Umformung von mechanischer in elektrische Schwingungsenergie
ermöglichen. Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, Wandler für diese Zwecke derart
auszubilden, daß mit wenig Aufwand eine Auswahl zwischen verschiedenen Klangfarben
möglich ist.
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An sich stehen elektromechanische Wandler zwar als sogenannte Mikrofone
zur Verfügung, welche aber die Funktion eines erfindungsgemäßen Wandlers mit der
Aufgabenstellung nach der Erfindung nicht erfüllen können; überdies finden sie ausschließlich
für akustische Verstärkungszwecke Anwendung. Darüber hinaus sind die Mikrofone in
ihrem Aufbau auf diesen Verwendungszweck auch gar nicht Zugeschnitten, weshalb sie
schon allein deswegen als Schwingungswandler für Musikinstrumente mit elektrischer
Tonfrequenzerzeugung ungeeignet sind, da die Rückkopplungsgefahr so groß ist, daß
sie sich nur durch ihren schalldichten Abschluß beseitigen läßt. Dieser aber wiederum
verursacht verhältnismäßig erheblichen Aufwand, was die angestrebte Senkung des
Preises für ein solches Instrument auf diesem Wege nicht erreichbar macht. Die Klangfarbenwahl
kann aber nur dann in einer musikalisch wertvollen Art zur Wirkung gebracht werden,
wenn störende Frequenzkurvenverzerrungen vermieden werden, die ihre Ursache in ungenügender
Unterdrückung von Rückkopplungserscheinungen haben. Dies wird erfindungsgemäß durch
eine geeignete Dimensionierung des Wandlers erreicht.
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Es ist auch bereits ein Musikinstrument bekannt gewesen, bei welchem
eine Seite eines Mikrofonkondensators durch Zungen gebildet ist. Die gegenüberliegende
Seite ist durch ein leitfies Bauelemenk gebildet, welches eine Reihe von Verstellschrauben
trägt und dessen Abstand dadurch in bezug auf die Zunge einstellbar ist. Jede Zunge
erstreckt sich unterhalb einer Reihe von Verstellschrauben- In einer anderen Ausführungsform
weist die Zunge dies bekannten Musikinstrumentes zwei Platten auf, die in entsprechende
AusnMmungen auf der gegenüberliegenden Seite des Kondensators eintauchen. Eine derartige
Anordnung ergibt eine größere Kapazität. Da sich jedoch bei diesen bekannten Anordnungen
die Gegenelektroden in der Schwingungsebene befinden, besteht die Gefahr dies Aufschlagens
der Zunge auf die Elektrode, so daB sich eine einwandfreie Arbeitsweise nicht ermöglichen
läßt. Die Erfindung will diese Nachteile beseitigen.
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Es wird ein Wandler zur Umformung von mechanischer in elektrische
Schwingungsenergie, bei welchem wenigstens eine schwingungsfähige Elektrode mit
mehrfachen gehäusefesten Gegenelektroden einen Mehrfach-Kondensator bildet, insbesondere
für elektrische Musikinstrumente vermittelt, bei dem efin dungsgemäß die Gegenelektroden
außerhalb der Ebenen liegen, welche durch die Randlinien der schwingungsfähigen
Elektrode gehen und lotrecht dazu stehen. Eine in dieser Weise charakterisierte
Ausgestaltung unterscheidet sich von der im vorstehenden erörterten Ausbildung dadurch,
daß die Gegenelektroden nicht über oder gegebenenfalls auch unter der (den) schwingungsfähipn
Elektrode(n) angebracht sind; das Gegenelektrodemystem ist vielmehr neben der schwingungsfähigen
Elektrode bzw. vor ihrem Stirnfarad und damit außerhalb angebracht. Abgesehen von
dem bei der erfindungsgemäßen Ausbildung nicht mögüöbn -Nachteil einer Anschlagsgefahr
der
schwingungsfähigen Elektrode an dem ruhenden Gegenelektrodensystem ergibt sich für
die erfindungsgemäße Ausbildung auch noch der Vorzug größerer Kapazitätsänderungen
und damit möglicherweise größerer Ausgangsspannungen. Schließlich ist wegen des
geringen Abstands zwischen der schwingungsfähigen Elektrode und dem Gegenelektrodensystem
auch eine größere zeitliche Änderung der Kapazitäten und damit ein größerer Anteil
an Harmonien herbeiführbar.
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Der erfindungsgemäße Wandler zur Umformung von mechanischer in elektrische
Schwingungsenergie ist in besonderer Ausbildung ein Kondensator mit mindestens einer
schwingungsfähigen Elektrode, deren Schwingwiderstand wenigstens das 20fache ihres
der Eigenfrequenz zugeordneten Strahlungswiderstandes beträgt. Durch das angeführte
Verhältnis des Schwingwiderstandes zu dem der Eigenfrequenz zugeordneten Strahlungswiderstand
der schwingungsfähigen Elektrode ist die Rückkopplungsgefahr zum Lautsprecher beseitigt
und somit an sich jeglicher schalldichter Abschluß entbehrlich. Im Gegensatz zu
Mikrofonen spricht der Wandler auf Geräusche von anderen Schallquellen nicht an.
Bildet man in besonderer Ausgestaltung der Erfindung den Träger einer schwingungsfähigen
Elektrode als Gegenelektrodensystem des Kondensators aus, so steht z. B. die in
einer solchen Weise abgestützte Metallzunge als einfaches Bauelement zur Verfügung.
Eine sehr zweckmäßige Vervollkommnung der Erfindung ist dadurch erzielbar, daß die
Isolierung der schwingungsfähigen Elektrode gegen ihren Träger durch eine nicht
leitende, vorzugsweise elektrolytisch aufgebrachte Schicht einer Metallverbindung
erfolgt. Solche Isolierschichten lassen sich bekanntlich leicht aufbringen. Bei
langer Beständigkeit weisen sie außerdem eine genügend hohe Isolierfähigkeit auf.
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In besonders hohem Maße ist den eingangs erwähnten Bedingungen für
ein elektrisches Musikinstrument geringen Preises erfindungsgemäß aber dadurch entsprochen,
daß der Kondensator durch die Stimmplatte eines harmoniumartigen Musikinstrumentes
gebildet ist. Die in bekannter, zuverlässiger Weise montierte Zunge einer solchen
Stimmplatte bietet von vornherein die Gewähr für einwandfreie mechanische Schwingungsverhältnisse.
Außerdem sind hierbei einerseits die durch die Zunge aus Metall oder ihre elektrisch
leitenden Oberflächen und andererseits die durch den Zungenträger gegebenen Belegungen
(Elektroden) des Kondensators in einer solchen Lage zueinander vorhanden, daß jede
zusätzliche Justierung entbehrlich ist.
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Weitere Merkmale der Erfindung sind in der nachstehenden Beschreibung
an Hand der Zeichnung erläutert. Es bedeuten F i g. 1 bis 3 ein Ausführungsbeispiel
für einen Wandler, bei welchem mindestens eine der Kondensator-Elektroden in der
Schwingungsrichtung Zonen verschiedener Feldstärken und/oder Kapazität aufweist;
F i g. 4 zeigt im Grundriß ein Ausführungsbeispiel, bei dem das Gegenelektrodensystem
senkrecht zu der Schwingungsrichtung der Zunge elektrisch unterteilt ist, F i g.
5 und 6 bzw. 7 Qusrsohnittsdarstellungen der Ausführungsbeispiele eines Stinunplattenwandlers,
F i g. 8 ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei welchem die schwingungsfähige Elektrode
Zonen zeitlich verschiedenen Mittellagendurchgangs (Phasen) aufweist, F i g. 9 im
Grundriß gezeigte Stimmplatte aus einem für mehrere Zungen gemeinsamen Träger. Nach
F i g. 1, aus der ein Längsschnitt der besonderen esfindung$gemäßen Ausgestaltung
eines Wandler-Kondensators ersichtlich ist, ist mit Hilfe des isolierten Niets
1 die schwingungsfähige Elektrode 2 an ihrem Gegenesektrodensystem
angebracht. Letzteres weist in der Schwingungsrichtung der Elektrode 2
Zonen
verschiedener Kapazität auf. Dies ist dadurch erzielt, daß das Gegenelektrodensystem
in die drei metallischen Schichten 3, 4 und 5 unterteilt ist, die gegeneinander
durch die Zwischenschichten 6 und 7 isoliert sind. Die Zonen verschiedener Kapazität
sind im vorliegenden Fall durch verschiedene Längen der Schlitze in den einzelnen
Zonen erzielt worden. Zungen verschiedener Feldstärke ergeben sich durch den Anschluß
unterschiedlicher Vo«spannungen an den Zuführungsleitungen 8 bis 10. Die Isolierungen
in den Zwischenschichten 6 und 7 können z. B. durch elektrolytisches Aufbringen
nichtleitender Schichten einer Metallverbindung auf die metallischen Schichten
3
bis 5 zustande gebracht sein.
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Die F i g. 2 und 3 lassen erkennen, daß Zonen verschiedener Kapazität
auch durch verschiedene Breiten der Zonenschlitze herbeigeführt sein können. Aus
der Darstellung in F i g. 2 geht hervor, daß sich die Breitenunteaschiede nicht
über die gesamte Schlitzausdehnung in der Längsrichtung des Kondensators zu erstrecken
brauchen.
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Die geschilderten Maßnahmen zur Herbeifüahrung von Zonen verschiedener
Kapazität bringen in diesen Zonen unterschiedliche lichte öffnungen der Schlitze
zustande. Diese können sich bei Beanschlagung der schwingungsfähigen Elektrode 2
durch ein strömendes' Mittel nachteilig auf die dabei angestrebte mechanische Erregung
auswirken. Um dies zu verhädeam, können die Schlitzfugen nach Maßgabe der kleinsten
Schlitzöffnung dusch Isolierstoff ausgefüllt werden.
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Die bei der Erläuterung der F i g. 1 bis 3 geschilderten Maßnahmen
zur Herbeiführung von Zonen verschiedener Feldstärke und/oder Kapazität in der Schwingungsrichtung
der sahwin#ih'gen Elektrode brauchen nicht gleichzeitig getroffen zu sein. Von ihnen
kann vielmehr nur die eine oder die andere je nach den gewünschten Effekten von
der Klangformung vorgesehen werden.
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Eine elektrische Unterteilung des Gegenelektrodensystems in die Teile
11 und 12 senkrecht zur Schwingungsrichtung der schwingungsfähigen
Elektroden 13
bis 16, die im F i g. 4 veranschaulicht ist, vermittelt zusätzliche
Schaltungsmöglichkeiten. Die beidem Teile 11 und 12 sind durch die
Isolation 17 verbunden. Je nachdem, welche zwei von den drei Anschlüssen
18 bis 20 in den mit der Vanpannung versehenen Stromkreis geschaltet sind, werden
Schwingungen gänzlich verschiedener Kurvenform erhalten. Eine besonders einfache
Form des Wandlers nach der Erfindung, sowohl mit einzelnen wie mit Gruppen von schwingungsfähigen
Elektroden, ergibt sich, wenn die schwingungsfähigen Elektroden 13 bis
16 auf deal Gegenelektrodensystem 11, wie seither üblich, elektrisch befestigt
sind. In diesem Fall wird der Wandler an den Leitungen 18 und 19 angeschlossen.
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Die in Verbindung mit F i g. 1 bis 3 beschriebene Beeinflussung der
Klangfarbe läßt sich, so wie es aus den F i g. 5 bis 7 ersichtlich ist, mit Hilfe
von Jochkörpern
für das Gegenelektrodensystem erzielen, die aus
Blechplatten gezogen sind. In der F i g. 5 ist der Längsschnitt durch eine solche
Ausführung gegeigt, die im Querschnitt entlang der Linie E-F so aussieht, wie es
die F i g. 6 zeigt. Hier ist die nach unten offene doppelrinnenförmige Gestalt des
Jochkörpers 21
deutlich ersichtlich. Die Zunge 22 ist mit Hilfe des
Niets 23 auf dem bei denn Verformungsvorgang stehengebliebenen Steg 24 befestigt.
Im Bereich des zum Durchschwingen der Zunge 22 vorgesehenen Schlitzes
25 im Jochkörper 21 ist die innere Schlitzwandung lappenförmig ausgebildet,
d. h., es sind die Abschnitte 26 bis 30 verschiedener Breite in der
Schlitzlängsrichtung und Tiefe in der Schwingungsrichtung der Zunge 22 gebildet,
die gegeneinander isoliert und mittels der Zuführungsleitungen 31 bis
35
an von einander unterschiedliche Verspannungen gelegt sind, deren Gegenpol
über die Zuleitung 36 mit der schwingungsfähigen Elektrode 22 verbunden
ist.
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An Stelle der Lappen 26 bis 30 von verschiedener Breite und/oder Tiefe
können, so wie es aus F i g. 7 ersichtlich ist, die inneren Wandungen
37 bzw. 38
des Jochkörpers 39 durch unterschiedliches Abbiegen einzelner
Lappenstücke gebildet sein. Die Zuführung der Verspannung erfolgt in diesem Fall
ebenso, wie es aus F i g. 4 hervorgeht.
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Zonen verschiedener Feldstärke und/oder Kapazität können nicht nur
durch solche Gestaltungen des Gegenelektrode.nsystems herbeigeführt werden, wie
sie sich aus den F i g. 1 bis 7 ergeben. Sie lassen sich vielmehr auch durch entsprechende
Ausbildungen der schwingungsfähigen Elektrode herbeiführen. Einen solchen Fall zeigt
die F i g. 8, bei der die schwingungsfähige Elektrode 40 eine Zunge von tosonders
gestaltetem Profil aufweist. Die Profilierung kann dabei auf verschiedene Art und
Weise erzielt sein. Nach der Zeichnung sind dafür die Auflage 41
und der am
freien Ende der Zunge befindliche Lappen 42 vorgesehen. Zungen mit solcher
oder ähnlicher Profilierung weisen Zonen, zeitlich verschiedenen Mittellagendurchgangs
(Phasen) auf. Sonst ist die schwingungsfähige Elektrode 40 wieder, wie es
bereits mehrfach dargestellt worden ist, mittels des Niets 43 an dem Gegenelektrodensystem
44 befestigt. Dieses Gegenelektrodensystem weist noch die Kerbe
45 auf, mit der eine zusätzliche Zunge verschiedener Feldstärke und/oder
Kapazität auch gegenelektrodenseitig vorhanden ist.
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Hinsichtlich der Ausfüllung der Schlitzfugen gilt für die Ausführungsbeispiele
nach den F i g. 5 bis 8 das gleiche was diesbezüglich in Verbindung mit der Erläuterung
der Anordnungen nach den F i g. 1 bis 3 ausgeführt worden ist. Mit Hilfe von Isolierstofffüllungen
läßt sich danach auch bei Verwendung von Jochkörpern, die aus Blech gezogen sind,
und bei massiven Jochkörpern mit eingearbeiteter Kerbe die für ein einwandfreies
Arbeiten der schwingungsfähigen Elektrode unter dem Einfloß eines strömenden Mittels
erforderliche Gestalt des Stimmplattensehlitzes zustande bringen.
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Die Anordnung nach F i g. 9 besteht aus einem für die Zungen 46 bis
54 gemeinsamen Träger 55. Hierbei brauchen nicht sämtliche Zungen 46 bis
54
durch einen eigenen Luftstrom, vorzugsweise in die Zungen enthaltenden
und zu der Luftpumpe führenden geschlossenen Kanälen beaufschlagt zu werden, sondern
es können auch nur einige der Zungen der unmittelbaren Einwirkung durch den Luftstrom
unterliegen, während andere Zungen im Wege der Massenankopplung mÜtschwügem-Über
die gruppenweise zusammengefaßten Ansahlußleitungen 56 bis 58 können verschieden
große Gleich- oder Hpchfrequenzvorspaanungen angeschlossen werden. aber andere Vektrodenanschluß
ist mit 59 bezeichnet.
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Die schahige Elektrode vermag bei allen behandelten A '' ngsbeispieleu@e
nach den Betriebsbedingungen, d. h. z. B. na@elr Maßgabe der Größe der mechanischen
Ememm, durch ahne Gas, Strömung oder eine kurzeitige, filmschlüssige Beaufschlagung
mit einer mehr oder weniger großen Amplitude zu schwingen. Ist diese Amplitude im
Verhältnis zum Abstand der schwhigungsflähigm Elektrode zu ihrem Gegerwlekystem
in der Ruhelage gering, dann sind die Kapazitätsänderungen jeweils annähernd proportional
den oa#änderungen; wird dieser Bereich jede Überschritten, d. h. die Größe der Amplituden
arkels der erwähnten Betriebsbedingungen im Verhältnis -zum Abstand der Elektroden
in der Ruhelage vergrößert so ergeben sich zwischen denn KapazJ.täts- und den Elongationsänderungen
Funktionen höheren Grades, die praktisch mehr oder weniger obertonhaltige elektrische
Schwingungen zur Folge haben. Soll dieser Effekt zur Beeinflussung der Verzerrung
Verwendung finden, so ist es zur Vermeidung von Lautstärkeänderungen erforderlich,
jeweils Gleis entsprechende Vorspannungsändenmgen vorzunehmen.
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Der geschilderte Zusammenhang zwischen den Kapazit,ts und den E@@ngatiülß@geu@
gewinnt noch an Bedeutung, wenn der Aufbau eines Trier in Betracht kommenden Wandlers
ein Ein-, bzw. sogar ein Durchtauohen der schwingunpfähigen Elektrode gegenüber
ihrem Gegenekkbradensystem ermögliieht. In diesen Fällen treten nahezu torstetige
Kapazitätsr änderungen auf, und zwar jeweils beim Ein- und Austreten in das bzw.
aus dem Gegenelektroden System. Die Folge davon ist ein noch stärkeres Zunehmen
des Verzerrungsgrades bzw. des Gehalts an Obertönen, wofür jeweils die wählbarem
Betriebsbedingungen gegebenenfalls in, Verbindung mit der Größe der jeweiligen.
Vorspamitmg und die Dicke des Gegenelektrodensystems maßgebend, sind.