DE1188139B - Elektrostatische Wandleranordnung - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. CL:

H04m

Deutsche Kl.: 21a2-3

Nummer: 1188 139

Aktenzeichen: A 40777 VIII a/21 a2

Anmeldetag: 20. Juli 1962

Auslegetag: 4. März 1965

Die Erfindung bezieht sich auf eine elektrostatische Wandleranordnung.

Wandler sind allgemein Vorrichtungen, die es gestatten, eine Energieform in eine andere Energieform umzuwandeln. Im Rahmen der Erfindung bedeutet »Wandler« ein Mittel zur Umwandlung elektrischer Energie in eine Energie, die die Form von Druckschwankungen in einem Fluid hat, oder umgekehrt. Es sind Vorrichtungen dieser Art bekannt, in denen eine solche Umwandlung elektromagnetisch erfolgt. Insbesondere enthalten diese Vorrichtungen eine Kombination einer stromführenden Spule und einer Magnetkernanordnung, wobei die Spule unter dem Einfluß des Magnetkerns bewegt wird, oder umgekehrt, um die Energiewandlung zu vollführen. Die Kombination einer Spule und eines Kerns ist für die meisten Anwendungszwecke schwerfällig und umfänglich, wenn die Anforderungen an die zu erreichende Ausgangsleistung groß sind und ein Ansprechvermögen über ein breites Frequenzband erfordert wird. Darüber hinaus haben diese Kombinationen weitere Nachteile und unterliegen Beschränkungen, die dem Fachmann bekannt sind.

Zur Behebung der den elektromagnetischen Wandlern eigenen Nachteile ist ein anderer Typ eines Wandlers entwickelt worden, nämlich ein solcher, der nach elektrostatischen Prinzipien arbeitet. Solche elektrostatischen Wandler haben jedoch eine begrenzte Ausgangsleistung, insbesondere im unteren Frequenzansprechbereich, nämlich wegen ihres geringen Abstandes der aktiven Elemente. Zur Erläuterung dieses Sachverhalts sei die Wirkungsweise eines elektrostatischen Wandlers betrachtet, der eine flexible, zwischen zwei starren, jedoch akustisch durchlässigen Platten liegende Membran aufweist. Bei einem vorgegebenen Abstand kann nur eine vorgegebene Spannung angelegt werden, die durch die Durchschlagsspannung des Luft-Dielektrikums begrenzt ist. und daher kann nur eine begrenzte Kraft zwischen den Platten und der Membran erzeugt werden. Die Anwendung dieser Klasse von Wandlern beschränkt sich daher auf diejenigen Fälle, in denen die angeführten Begrenzungen zugelassen werden könnten. Die Begrenzung ist besonders im niederen Hörfrequenzbereich wichtig, da es dabei wünschenswert ist, die gesamte Rückabstrahlung mit einem vernünftig abgemessenen Gehäuse abzuschließen. Das hat nun wieder zur Folge, daß starke Kräfte entwickelt werden, die die im Gehäuse eingeschlossene Luft zusammendrücken und verdünnen.

Dies wird um so offensichtlicher, wenn ein System betrachtet wird, das z. B. hörfrequente elektrische

Elektrostatische Wandleranordnung

Anmelder:

Ampex Corporation, Redwood City, Calif.

(V. St. A.)

Vertreter:

Dipl.-Ing. F. Weickmann,

Dr.-Ing. A. Weickmann,

Dipl.-Ing. H. Weickmann und Dr. K. Fincke,

Patentanwälte, München 27, Möhlstr. 22

Als Erfinder benannt:

George A. Bretteil, Redwood City, Calif.

(V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 25. September 1961
(140 551)

Energie in akustische Energie umwandeln soll. In der Technik ist es die Regel, daß für gleiche Ausgangsleistungen im Hörfrequenzbereich eine viel größere Luftmasse bei niederen Frequenzen bewegt werden muß. Dies ist der Grund dafür, daß Niederfrequenzlautsprecher viel größer sind und viel schwerer und umfänglicher aufgebaut werden als Hochfrequenzlautsprecher. Die genannten Probleme sind leichter lösbar bei Lautsprechern mit geringer Ausgangsleistung, etwa bei Kopfhörern. Bei diesen ist die Ausgangsleistung bei niederer Frequenz nicht allzu kritisch, da das geschlossene System nahe den Ohren des Hörers liegt. Auch kann eine Kompensation durch geeignete Ausbildung der Frequenzansprechcharakteristik des Hörfrequenzverstärkers erfolgen, mit dem der Wandler betrieben wird, oder durch die Verwendung eines akustisch absorbierenden Materials oder durch beide Maßnahmen. In jedem Fall ist die Begrenzung auf niedrige Ausgangsleistung das Resultat der begrenzten maximalen Auslenkung, die für die flexible Membran zulässig ist.

Die Erfindung geht aus von einer elektrostatischen Wandleranordnung mit einer Mehrzahl parallel zueinander angeordneter und mit Öffnungen versehener Platten, mit einer um eins verringerten Anzahl flexibler Membranen zwischen diesen Platten,

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die im wesentlichen die gleiche Ausdehnung wie die Platten haben und parallel zu diesen liegen, bei der die Platten und die Membranen an eine Spannungsquelle anzuschließen sind.

Erfindungsgemäß ist diese Wandleranordnung gekennzeichnet durch zwischen der Spannungsquelle und den Platten bzw. den Membranen liegende Kopplungsglieder mit Zeitkonstanten, die den mechanischen Eigenzeitkonstanten der Platten bzw. Membranen angepaßt sind.

Durch diese Hinzufügung von Kopplungsgliedern in den Verbindungsleitungen zwischen den Anschlüssen der Spannungsquelle und den aufeinanderfolgenden Platten bzw. Membranen wird erreicht, daß eine elektrische Verzögerungsleitung für die Eingangssignale entsteht, die hinsichtlich ihrer Verzögerungswirkung der resultierenden Wellenfortpflanzung von der Rückseite zur Vorderseite oder Abgabeseite des geschichteten Stapels anzupassen ist. Ist dies geschehen, so gelangen die Wellen und das Signal zu den Platten jeweils zu gleicher Zeit, und im Ausgang treten keine Interferenzen auf.

Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung unter Hinweis auf die Figuren.

F i g. 1 zeigt schematisch einen einfachen elektrostatischen Wandler nach dem Stand der Technik;

F i g. 2 zeigt eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Wandlers, teilweise fortgebrochen;

F i g. 3 zeigt einen Teilquerschnitt durch den Wandler nach F i g. 2 mit den zugehörigen elektrischen Anschlußmitteln;

F i g. 4 zeigt einen Querschnitt durch den Wandler nach Fig. 2, wenn er in einer Wand eines Rückgehäuses eingebaut ist;

F i g. 5 zeigt einen erfindungsgemäßen Wandler in auseinandergenommenem Zustand;

Fig. 6 zeigt einen Wandler nach Fig. 5, schematisch;

F i g. 7 zeigt eine andere Möglichkeit der Zuführung variabler Spannung an die starren Platten des Wandlers nach F i g. 3 für Hochfrequenzanwendungen.

In F i g. 1 ist ein typischer elektrostatischer Wandler 11 nach dem Stand der Technik dargestellt. Eine flexible Membran 12, etwa aus Mylar, mit einer leitenden Schicht 13 aus Silber od. dgl. ist als Hauptelement vorgesehen. Beiderseits der Membran 12, parallel zu ihr, liegen starre leitende Platten 14 und 15, die je eine Anzahl von Öffnungen 17 und 18 haben. Wird der Umfang der Membran 12 und der Platten 14 und 15 in geeigneter Weise (nicht dargestellt) festgehalten, so führt jede Bewegung der Membran zu einer entsprechenden Bewegung des Fluids, beispielsweise der Luft, die zwischen den Membranen ist, und zwar in Richtungen quer zu den Platten.

Zur Steuerung der Bewegung des Fluids ist eine elektrische Schaltung 19 vorgesehen, die eine Schub- und Druckkomponente elektrostatischer Kräfte auf die Membran 12 wirken läßt. Die Schaltung 19 weist einen Transformator 21 auf, dessen eine Wicklung 22 zu zwei Anschlüssen 23, 24 führt, und dessen zweite Wicklung 26 eine Mittelabzapfung 27 hat. Eine Leitung 28 führt von einem Ende der in der Mitte abgezapften Wicklung 26 zu einer Platte 14, eine zweite Leitung 29 am anderen Ende der abgezapften Wicklung 25 führt zu der Platte 15. Eine Vorspannungsquelle 31, etwa eine Reihe von Batterien, und ein Widerstand 32 ist zwischen die Mittelabzapfung 27 und die Membran 12 geschaltet.
Wird ein Wechselsignal den beiden Anschlüssen 23 und 24 zugeführt, so erhalten die starren Platten 17 und 18 jeweils einander entgegengesetzte Potentiale im Bezug zur Mittelabzapfung. Das Vorzeichen der Potentiale ändert sich entsprechend den Signalwechseln. Wegen des Vorspannungspotentials der Membran 12 und der Verbindung der Membran mit der Mittel abzapf ung 27 wirkt auf die Membran eine elektrostatische Gesamtkraft in einer Richtung, die der Polarität des Eingangssignals entspricht. Es resultiert eine Bewegung der Membran entsprechend der Amplitude und der Polarität des Signals.

Eine analytische Betrachtung des verschiedenen Aufbaus zeigt, daß die Gesamtkraft, die auf die Membran 12 zwischen den beiden Platten 17 und 18 wirkt, umgekehrt proportional zum Quadrat des Abstandes zwischen den beiden Platten ist. Die Kraft wächst also an, wenn der Abstand bei konstanten Werten des Signals und des Polarisierungspotentials abnimmt. Ferner zeigt sich, daß die Kraft auf die Membran 12 direkt proportional zum Potential zwischen den beiden Platten 17 und 18, multipliziert mit der Polarisierungsspannung der Membran, ist. Die vorgenannten Faktoren sind in der Praxis nicht miteinander vereinbar, wenn niedere Frequenzen des Hörfrequenzbereichs in einem Gehäuse gewandelt werden sollen. Es muß dann eine wesentlich größere Kraft auf die Membran ausgeübt werden. Werden die Potentiale bei vorgegebenem Abstand entsprechend erhöht, so treten elektrische Durchschlage auf. Werden andererseits die Potentiale erniedrigt und wird der Abstand erniedrigt, um Durchschläge zu vermeiden, so kann die gewünschte Kraft nicht vergrößert werden.

F i g. 2 zeigt nun einen Aufbau, der die genannten Begrenzungen elektrostatischer Wandler erfindungsgemäß überwinden hilft. Bei dieser Anordnung sind drei starre leitende Platten 41, 42 und 43 vorgesehen, die in Abstand und parallel voneinander innerhalb geeigneter Rahmen 46, 47, 48 gehaltert sind. In die beiden sich dadurch bildenden Zwischenräume zwischen den aufeinanderfolgenden Platten 41, 42, 43 werden zwei dünne, flexible und etwas leitende Membranen 51 und 52 gelegt. Die starren Platten 41, 42, 43 sind mit einer Mehrzahl von Öffnungen 53, 54, 55 versehen, ähnlich wie die vordem beschriebenen Platten 17 und 18. Auch die Membranen 51 und 52 können der vordem beschriebenen Membran 12 ähnlich sein. Sie sollen jedoch eine geringere Leitfähigkeit haben. Die genannten Elemente werden in geeigneter, nicht dargestellter Weise zusammengehalten, so daß ein einheitliches Gebilde entsteht.

An den aktiven Elementen, den Platten und den Membranen, liegen elektrische Anschlüsse, wie dies in F i g. 3 dargestellt ist. Aufeinanderfolgende Platten 41, 42, 43 sind unmittelbar mit den entgegengesetzten Enden 57 und 58 einer Wicklung 59 eines Transformators 61 verbunden. Die äußersten Platten 41 und 43 sind mit dem einen Anschluß 57 verbunden, und die Zwischenplatte 42 ist mit dem anderen Anschluß 58 verbunden. Eine zweite Wicklung 62 des Transformators 61 weist zwei Anschlüsse 63 und 64 auf, der die Eingangssignale zugeführt werden. Die beiden Membranen 51 und 52 werden beispielsweise

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durch zwei in Serie liegende Batterien 66 und 67 vor- stellen praktisch unhaltbare Kompromisse dar und

gespannt. Die Membran 51 liegt dabei an dem einen gehen weit am Ideal vorüber.

Pol und die andere Membran 52 an dem anderen Pol Da bei einer erfindungsgemäßen Anordnung eine

der Spannungsquelle. Der Mittelpunkt 68 zwischen größere Kraft über den gleichen Abspielbereich ver-

den Batterien 66 und 67 ist geerdet, wie auch die 5 fügbar wird als bei Wandlern nach dem Stand der

Mittelabzapfung 69 der Wicklung 59. Auch kann der Technik, kann ein Hörfrequenzlautsprecher mit

Mittelpunkt 68 direkt mit der Mittelabzapfung 69 höherer Ausgangsleistung und einem relativ kleinen

verbunden sein. Zur Vereinfachung des Aufbaus Rückgehäuse zur Widergabe eines weiten Bandes

erstrecken sich die Platten 41, 42, 43 in geeignete von Hörfrequenzen verwendet werden. Der Grund

Schlitze der Rahmen 46, 47, 48, und die Leitungen io hierfür liegt in der Tatsache, daß die Kraft, die zum

zwischen der Wicklung 59 und den Platten erstrecken Zusammendrücken der Luft innerhalb des relativ

sich durch Verbindungsöffnungen 71, 72 und 73. kleinen Rückgehäuses notwendig ist, durch einen

Wird eine Quelle hörfrequenter Signale an die erfindungsgemäßen Wandler zur Verfügung gestellt Anschlüsse 63 und 64 des Transformators 61 an- wird, nicht aber durch die vorbekannten Wandler, geschlossen, so werden dadurch auf die beiden 15 F i g. 4 zeigt einen Wandler 81, der dem in F i g. 2 Membranen 51 und 52 Kräfte in stets gleicher und 3 dargestellten ähnlich ist und in einer Wand Richtung ausgeübt. Es ist hier besonders hervor- eines geschlossenen Rechteckkastens 82 eingebaut gehoben, daß die beiden Membranen 51 und 52 an ist. Die elektrischen Anschlüsse zwischen den verentgegengesetzten Polen der Vorspannungsquellen 66 schiedenen aktiven Elementen des Wandlers 81 sind und 67 liegen. Liegt kein hörfrequentes Signal an 20 in geeigneter Weise durch die Wand 82 geführt. Zur den festen Platten 41 bis 43, so wird auf die Mem- Vereinfachung der Darstellung ist dies in Fig. 4 branen 51 und 52 keine Gesamtkraft ausgeübt. Tritt nicht eingezeichnet. Die Ausführungsform nach jedoch beispielsweise ein hörfrequentes Signal an den F i g. 3 kann als Anhalt dienen. Die Beziehung zwifesten Platten 41 bis 43 auf, so besteht kein Kräfte- sehen den Abmessungen des Wandlers 81 und den gleichgewicht mehr, da das Signal der Vorspannung 25 Abmessungen des Rückgehäuses 82 hängt von der der einen Platte 41 addiert wird und von der Vor- Anzahl der Membranen im Wandlerstapel ab.
spannung der nächsten Platte 42 subtrahiert wird, Aus der vorangegangenen Beschreibung ist ohne der folgenden Platte 43 wieder addiert wird und so weiteres ersichtlich, daß der Schichtaufbau nach der fort, wenn noch mehr Platten vorgesehen sind. Das Erfindung die erforderlichen Abmessungen des Gesamtresultat ist, daß die Kräfte auf die beiden 30 Rückgehäuses bei naturgetreuer Wiedergabe des geMembranen 51 und 52 in der gleichen Richtung ver- samten Hörfrequenzbandes beträchtlich vermindert, laufen und sich wegen der Steifheit der zwischen Um Resonanzen zu verhüten, die die Naturtreue der ihnen eingefangenen Luft addieren. Die Stärke der Töne stören können, kann das Rückgehäuse 82 mit Kraft hängt dann von der Stärke des hörfrequenten akustisch absorbierendem Material (nicht dargestellt) Signals ab. 35 versehen sein. Dieses Material kann entweder an die

Obwohl die Unverträglichkeit zwischen Kraft und Wand angebracht werden oder in Form einer losen Entfernung zwischen jeder Membran 51 und 52 und Packung in das Gehäuse eingebracht werden,
den ihr zugeordneten Plattenpaaren41, 42 bzw. 42, Der Aufbau nach Fig. 4 kann nicht nur als 43 verbleibt, ist die Gesamtkraft in dem beschriebe- elektroakustischer Wandler dienen, sondern auch nen Schichtaufbau um einen Faktor von etwa 2 40 zur Erzeugung gesteuerter Luftimpulse. Der Wandler erhöht. Daraus wird klar, daß die Nachteile des drei- 81 kann in diesem Fall ein Ende einer Luftsäule elementigen elektrostatischen Wandlers nach dem begrenzen, die sich in einem Rohr oder einer Leitung Stand der Technik überwunden wurden und daß es (nicht dargestellt) befindet, das von dem Rücknun möglich ist, die Vorteile elektrostatischer Wand- gehäuse 82 fortgeführt ist. Bei einer solchen Anler in Anwendungsfällen auszunutzen, wo dies bisher 45 Ordnung erfolgen die Anschlüsse wie in F i g. 3 darunmöglich war. gestellt. Wird ein Impuls einer Polarität den An-

Da durch den erfindungsgemäßen Schichtaufbau Schlüssen 63 und 64 zugeführt, so entsteht ein

erhöhte Kräfte verfügbar werden, kann ein ver- Luftfluß in einer Richtung im Bezug zum Wandler

nünftig abgemessenes geschlossenes Rückgehäuse zur 81, während ein Impuls entgegengesetzter Polarität

Widergabe von Tönen über einen extrem weiten 50 einen Luftfluß in entgegengesetzter Richtung herbei-

Bereich von Hörfrequenzen verwendet werden. Bei führt. Es ist offensichtlich, daß bei dem beschriebe-

den vorbekannten Hochleistungslautsprechern ist es nen Aufbau und den beschriebenen Anschlüssen ein

notwendig, ein Rückgehäuse mit großem Volumen elektrisches Ausgangssignal an den Anschlüssen 63

vorzusehen, da es notwendig war, die Kräfte zum und 64 entsprechend der Luftdruckdifferenzen über

Zusammendrücken der eingeschlossenen Luft zu 55 dem Wandler 81 entsteht.

begrenzen. Zur Überwindung dieser Beschränkung Eine geringe Abänderung des Rahmenaufbaus, der

lehrt der Stand der Technik die Verwendung von die aktiven Elemente hält und der elektrischen An-

Schallablenkplatten oder anderen Ersatzmaßnahmen Schlüsse, die zu den aktiven Elementen führen,

für das geschlossene Rückgehäuse. gestattet, die Anordnung nicht nur als Druckwandler

Darüber hinaus sind offene Rückgehäuse vor- 5o zu verwenden, sondern auch ein größeres Luftgeschlagen worden, entweder mit oder ohne Schall- volumen zu verschieben. Es wird dann das abablenkplatten. Bei einem Typ ist es erforderlich, daß gegebene Luftvolumen erhöht statt des Drucks,
der Lautsprecher in der Ecke eines Raumes angeord- F i g. 5 zeigt einen Wandler 91, der drei mit Öffnet wird, wobei die rückseitigen Abmessungen zwi- nungen versehene starre Platten 92 und 93 und 94 aufsehen dem sich bewegenden Element des Wandlers 65 weist, zwischen denen sich flexible Membranen 96 und den Wänden des Raums besonders zu wählen und 97 befinden. Die Rahmen 101 und 102 der starsind, wenn gewisse Frequenzen naturgetreu wieder- ren Platten 92 und 94, die zu äußerst des Wandlers 91 gegeben werden sollen. Anordnungen dieser Art liegen, haben drei geschlossene Seiten und eine offene

Seite. Die offenen Seiten weisen in der gleichen Richtung. Ein ähnlicher Rahmen 103 für die mittlere starre Platte 93 weist mit einer offenen Seite in die entgegengesetzte Richtung. Da die flexiblen Membranen 96 und 97 rundum gehaltert werden müssen, sind für sie vierseitige Rahmen 106 und 107 vorgesehen. Auf den äußersten Platten 92 und 94 liegen zum Abschluß des Wandlers 91 noch Abdeckplatten 108 und 109. Die genannten Elemente werden in geeigneter Weise zusammengehalten, etwa mittels (nicht dargestellter) Bolzen, die durch die Rahmen gesteckt werden.

Die elektrischen Anschlüsse zwischen den mit öffnungen versehenen Platten 92, 93 und 94 und zwischen den Membranen sind, wie in F i g. 6 dargestellt, ausgeführt. Ein Transformator 111 ist mit seiner ersten Wicklung 112 an zwei Anschlüsse 113 und 114 angeschlossen und weist eine zweite, in der Mitte abgezapfte Wicklung 116 auf. Eine Leitung 117 an einem Ende der in der Mitte abgezapften Wicklung

116 ist mit den beiden äußeren starren Platten 92 und 94 des Stapels verbunden, und eine zweite Leitung 118 vom anderen Ende der in der Mitte abgezapften Wicklung 116 ist mit der Mittelplatte 93 verbunden. Einer Membran 96 und 97 wird über einen Anschluß an die Gleichspannungsquelle 121, etwa einer Batterie, eine Vorspannung erteilt. Beide Membranen liegen am gleichen Pol. Der andere Pol der Spannungsquelle ist direkt mit der Mittelabzapfung der Wicklung 116 verbunden, oder wie dargestellt über Erde.

Ein den Anschlüssen 113 und 114 des Transformators 111 zugeführtes Signal läßt elektrostatische Kräfte zwischen den beiden Membranen 96 und 97 entstehen, die in einander entgegengesetzte Richtungen weisen. Es sei hier hervorgehoben, daß beide Membranen 96 und 97 mit dem gleichen Pol der Vorspannungsquelle 121 verbunden sind. Die äußeren Platten 92 und 94 sind beide mit der Leitung

117 verbunden, und die Mittelplatte 93 ist mit der Leitung 118 verbunden.

Wird an die Anschlüsse 113 und 114 ein Signal gelegt, so sind die resultierenden Kräfte auf die Membranen 96 und 97 derart, daß die Membranen in entgegengesetzten Richtungen ausgelenkt werden, entweder aufeinander zu oder voneinander fort. Das Prinzip ist das gleiche wie oben beschrieben. Die Vorspannung und das Signal sind zwischen der Membran und der Platte auf der einen Seite der Membran additiv und auf der anderen Seite subtrahiv. Hat das Ausgangssignal eine gewisse Polarität, so werden die Membranen 96 und 97 voneinander fortgedrängt, so daß das Volumen der zwischen ihnen liegenden Kammer anwächst, also das Volumen, das die mittlere, mit öffnungen versehene Platte 93 enthält. Entsprechend wird das Volumen der beiden äußeren Kammern des Stapels verringert. Luft oder sonst ein Fluid wird dann durch die öffnungen 126 eingesogen und durch die öffnungen 127 und 128 ausgestoßen. Kehrt das angelegte Signal sein Vorzeichen um, so werden die Membranen 96 und 97 aufeinander zu verschoben. Das in der Mitte liegende Volumen wird verringert, und die äußeren Volumen werden erhöht. In diesem letztgenannten Fall wird dann Luft oder sonst ein Fluid durch die öffnungen 127 und 128 angesogen und durch die öffnung 126 ausgestoßen. Da die Membranen 96 und 97 in der dargestellten Ausführungsform der Erfindung in entgegengesetzter Richtung gedrängt werden, ist die Menge der Luft oder des sonstigen Fluids, die bei einem einzigen Eingangssignal verschoben wird, wesentlich größer, als bei jeder sonst bekannten Anordnung.

Es ist offensichtlich, daß die Bewegung des Fluids in die einander gegenüberliegenden Seiten des Wandlers 91 hinein und aus diesen heraus einfach dadurch gesteuert werden kann, daß man Impulse vorgewählter Polarität an beiden Anschlüssen 114 und 113 zuführt. Der Wandler 91 kann beispielsweise mit geeigneten Anschlußleitungen verwendet werden, durch die vorgewählte pneumatische Drücke zur Steuerung der Bewegung eines Magnetbandes übertragen werden können, das von einer Zuführungshaspel auf eine Aufnahmehaspel über Magnetwandler läuft. Ferner kann der Wandler 91 nach den F i g. 6 und 7 verwendet werden, um Drücke oder Druckdifferenzen abzufühlen. Zum Abfühlen von Druck-

ao änderungen werden die elektrischen Anschlüsse wie in F i g. 6 dargestellt ausgeführt, wobei die Ausgangsberechnung von den Anschlüssen 113 und 114 abgenommen wird und kein Wechselsignal an diese Anschlüsse angelegt wird. Zum Abfühlen von Druckdifferenzen zwischen zwei Druckquellen wird eine Quelle an die Öffnungen 127 und 128 gekoppelt und die zweite an die gegenüberliegende Öffnung 126. Die elektrischen Anschlüsse können, wie im vorerwähnten Ausführungsfall, ausgeführt sein. In beiden Fällen werden die Anschlüsse 113 und 114 mit einer Meßvorrichtung verbunden oder mit einer Nutzschaltung, etwa mit einer Servoschleife, die den abgefühlten Druck konstant hält.

Nach der Ausführungsform nach den F i g. 2 bis 4 kann das Frequenzansprechvermögen dann, wenn eine Vielzahl von übereinandergeschichteten Platten und Membranen vorgesehen ist, für Hochleistungszwecke so bemessen werden, wie dies in F i g. 7 dargestellt ist. Die Anschlüsse an die Membran 120 sind die gleichen wie in F i g. 3 und bedürfen keiner weiteren Erläuterung. Die Signalquelle wird an die Platten 121 bis 127 in gleicher Weise angeschlossen, wie in F i g. 3 dargestellt, nämlich über die Anschlüsse 57 und 58. Die Bezugsziffern sind im übrigen die gleichen.

Ist eine sehr große Anzahl von Platten und Membranen vorgesehen, wie bei der Ausführungsform nach Fig. 7, so ist die Masse der Membranen in Analogie zu einem elektrischen Kondensator zu setzen. Die Luftmenge zwischen der Membran ist in Analogie zu einer elektrischen Induktivität zu setzen. Eine hörfrequente Welle, die von einem Ende des Schichtaufbaus zum anderen Ende läuft, ist bei der Schaltung nach F i g. 3 einer Verzögerung durch die Masse der Membran und durch die Nachgiebigkeit der Luft ausgesetzt. Diese Verzögerung tritt in Bezug zu dem erregenden elektrischen Signal ein, so daß am Ausgangsende des Stapels zwischen dem Signal und der Welle eine unrichtige Phasenbeziehung entsteht. Das Resultat ist eine ungenaue Wiedergabe der hörfrequenten Signale, insbesondere bei höheren Frequenzen.

Um diesen bei sehr großen Stapeln, die für große hörfrequente Ausgangsleistungen verwendet werden, auftretenden Mangel zu vermeiden, wird die elektrische Eigenkapazität zwischen den Membranen durch die Hinzufügung von Induktivitäten 131 in den Verbindungsleitungen zwischen den Anschlüssen

57 und 58 und den aufeinanderfolgenden Platten 121 bis 127 ergänzt. Das Resultat ist, daß eine elektrische Verzögerungsleitung für die Eingangssignale entsteht, die hinsichtlich ihrer Verzögerungswirkung der resultierenden Wellenfortpflanzung von der Rückseite zur Vorderseite oder Abgabeseite des geschichteten Stapels anzupassen ist. Ist dies geschehen, so gelangen die Wellen und das Signal zu den Platten jeweils zu gleicher Zeit, und im Ausgang treten keine Interferrenzen auf. Diese Interferrenzeffekte sind in erster Linie bei hohen Frequenzen bemerkbar.

Die Erfindung ist in erster Linie in Bezug zu einem Schichtaufbau für einen elektrostatischen Wandler beschrieben und dargestellt worden, der zwei flexible Membranen hat. Wenn auch solch eine Anordnung schon die Ausgangsleistung um einen Faktor 2 über ein Einmembranensystem erhöht, so erhöht sich doch die Ausgangsleistung noch weiter, wenn die Anzahl der Membranen erhöht wird. Bei einem entsprechenden System mit drei Membranen erhöht sich die Ausgangsleistung um einen Faktor 3. Bei einem Viermembranensystem erhöht sich die Ausgangsleistung um einen Faktor 4 usw. Die Ausgangsleistung steigt stets direkt proportional zu der Anzahl der Membranen an.

Der beschriebene erfindungsgemäße elektrostatische Wandler ist von einfachem Aufbau und in vieler unterschiedlicher Weise zu verwenden. Die Verwendungszwecke können allgemein klassifiziert werden als Umwandlung elektrischer in akustische und akustische in elektrische, elektrische in Druck und Druck in elektrische Energie.

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Elektrostatische Wandleranordnung mit einer Mehrzahl parallel zueinander angeordneter und mit öffnungen versehener Platten, mit einer um eins verringerten Anzahl flexibler Membranen zwischen diesen Platten, die im wesentlichen die gleiche Ausdehnung wie die Platten haben und parallel zu diesen liegen, bei der die Platten und die Membranen an eine Spannungsquelle anzuschließen sind, gekennzeichnet durch zwischen der Spannungsquelle (57, 58) und den Platten (121 bis 127) bzw. den Membranen (120) liegende Kopplungsglieder (131) mit Zeitkonstanten, die den mechanischen Eigenzeitkonstanten der Platten bzw. Membranen angepaßt sind.

2. Wandleranordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine in der Mitte (69) abgezapfte Sekundärwicklung (59) eines Transformators (61), deren Enden (57,58) an jeweils aufeinanderfolgende Platten (41, 42, 43) gekoppelt sind, durch eine in der Mitte (68) angezapfte Spannungsquelle (66, 67), deren Pole an jeweils aufeinanderfolgende, an den Membranen (51, 52) liegende Elektroden gekoppelt sind, und durch eine Kopplung des Mittelabgriffs des Transformators mit dem Mittelabgriff der Spannungsquelle.

3. Wandleranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kopplung über in Serie geschaltete Induktivitäten (131) erfolgt, deren Werte in Kombination mit den Kapazitätswerten zwischen den Platten (121 bis 127) eine elektrische Zeitkonstante liefern, die der mechanischen Eigenzeitkonstante der Kombination von Platten und Membranen angepaßt ist.

4. Wandleranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Pol der Spannungsquelle (121) an alle Membranen (96, 97) gekoppelt ist und der andere Pol mit dem Mittelabgriff der Sekundärwicklung (116) gekoppelt ist.

5. Wandleranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Rahmen (101, 103, 102) mit offenen Seiten zur Halterung der Platten (92, 93, 94) vorgesehen sind, daß die offenen Seiten aufeinanderfolgender Rahmen in einander entgegengesetzte Richtungen weisen und daß Abdeckplatten (108,109) auf den äußersten Rahmen (101,102) angeordnet sind.

6. Wandleranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Halterung der Platten (41, 42, 43) und Membranen (51, 52) unter Verwendung elektrisch isolierender Abstandsstücke (46, 47, 48) erfolgt, die zwischen Umfangsabschnitten aufeinanderfolgender Platten und Membranen angeordnet sind.

7. Wandleranordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstandshalterung durch eine Mehrzahl von Rahmen (46, 47, 48) erfolgt, wobei jeder Rahmen einen Umfangsabschnitt einer Platte (41, 42, 43) umgreift und zwischen jeweils benachbarte Rahmen Umfangsabschnitte einer Membran (51,52) eingefügt sind, so daß eine Schichtanordnung entsteht.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschriften Nr. 434 856, 259 440,
044.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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