DE1190040B - Elektrostatischer Wandler - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

H04m

Deutsche Kl.: 21 a2 - 3

Nummer: 1190

Aktenzeichen: W 32709 VIII a/21 a2

Anmeldetag: 31. Juli 1962

Auslegetag: !.April 1965

Die Erfindung bezieht sich auf einen elektrostatischen Wandler, bei dem eine als Membran dienende, dünne flexible Schicht aus leitendem Material am Umfang gegenüber einer im wesentlichen ebenen Oberfläche einer leitenden Hinterplatte zur Bildung eines gleichförmigen Luftspaltes angeordnet ist, elektrische Anschlüsse an der Membran und der Hinterplatte vorgesehen sind und im Luftspalt ein diesen teilweise auffüllendes Dielektrikum angeordnet ist. ίο

Ein elektrostatischer Wandler, z. B. ein Kondensatorkopfhörer, besteht normalerweise aus einer starren Metallhinterplatte und einer dünnen leitenden Platte oder Membran, die an ihrem Rand in einer zur Oberfläche der Hinterplatte parallelen Ebene mit geringem Abstand angebracht ist und die gegen die Hinterplatte isoliert ist. Wenn zwischen der Hinterplatte und der Membran eine Potentialdifferenz angelegt wird, ändert diese die zwischen den Platten bestehende Kraft, so daß sich die Membran auf die Hinterplatte zu oder von ihr weg bewegt, und zwar im wesentlichen proportional zur Größe des angelegten elektrischen Potentials. Die Bewegung der Membran erzeugt eine Schalldruckwelle, welche dem angelegten elektrischen Signal entspricht.

Um für einen Kondensatorkopfhörer od. dgl. einen hohen Wirkungsgrad zu erhalten und seine Frequenzkennlinie zu regeln, ist es notwendig, den Abstand zwischen der beweglichen Membranschicht und der

Elektrostatischer Wandler

Anmelder:

Western Electric Company Incorporated, New York, N.Y. (V. St. A.)

Vertreter:

Dipl.-Ing. H. Fecht, Patentanwalt,

Wiesbaden, Hohenlohestr.

Als Erfinder benannt:

Gerhard Martin Sessler, Summit, N. J.;

James Edward West, Madison, N. J. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:

V. St. v. Amerika vom 7. August 1961 (129 629)

Abstand wesentliche Ausmaße haben, so daß ein guter Wirkungsgrad schwierig zu erreichen ist.

Bei einem elektrostatischen Wandler der eingangs beschriebenen Art ist das Dielektrikum als eine unmittelbar auf der Hinterplatte aufliegende Papierschicht oder als eine auf der Hinterplatte aufgetragene Lackschicht ausgebildet. Hierüber schließt sich starren Hinterplatte genau zu regeln. Weiterhin soll 30 der eigentliche Luftspalt an, der als Luftpolster für das Dielektrikum zwischen den beiden Platten mög- die Membranschwingungen dient. Dieses Luftpolster liehst konstant und genügend dünn sein, um den ge- ist aber nur begrenzt dahingehend wirksam, daß es wünschten Abstand zu erhalten. Wenn der Abstand eine Berührung der Membran bei zu großen Schwinzu klein ist. erzeugen große Signale übermäßig große gungsamplituden mit dem im wesentlichen eine Ein-Ausschläge der Membran, so daß diese die Hinter- 35 heit mit der Hinterplatte bildenden Dielektrikum platte körperlich berühren. verhindern kann. Demnach bewirken Schwingungs-

Eine solche Berührung unterbricht die normale amplituden ab einer bestimmten Größe, daß die Schwingung der Membran. Sie verhindert die ge- Membran die Hinterplatte berührt, und zwar an samte Schwingung an der Stelle der Berührung und zahlreichen Stellen. Hierdurch wird aber der Schwinführt zu Sekundärschwingungen in der Membran. 40 gungszustand der Membran gestört, und es treten Infolgedessen entsteht eine harmonische Verzerrung harmonische Verzerrungen auf.
zweiter und höherer Ordnung. Zur \⁷ermeidung dieses Nachteiles ist es für ein

Es sind verschiedene Versuche unternommen wor- Mikrophon bekannt, die Hinterplatte aus Aluminium den, um bei Wandlern bisheriger Art diesen Nachteil auszubilden und auf deren der Membran zugekehrten zu umgehen. Zum Beispiel wurde der Abstand so 45 Seite einen unregelmäßig ausgebildeten Aluminiumgroß gemacht, daß Membranberührungen überhaupt oxydfilm aufwachsen zu lassen. Dieser Aluminiumvermieden wurden, wobei jedoch der Wirkungsgrad oxydfilm bildet dabei eine Vielzahl dicht beieinander verringert wird. Andererseits wurde eine Schicht aus liegender Spitzen, auf denen die Membran in der flexiblem Material, z.B. aus Schwammgummi, zwi- Ruhestellung aufliegt. Da Aluminiumoxyd bekannterschen die Membran und die Hinterplatte gebracht, 50 maßen eine sehr harte Verbindung darstellt (Koum große Ausschläge und damit plötzliche Beruh- rund), bilden diese Spitzen eine Vielzahl starrer rangen zu verhindern. Hierbei muß ebenfalls der Auflagepunkte für die Membran, mit der Folge, daß

509 537/268

3 4

die Membran in sehr viele, kleine, schwingungsfähige eine Vielzahl von Zwischenluftspalten von sehr un Bereiche unterteilt wird, deren Durchmesser im regelmäßiger Form ersetzt. Da die Hilfsschichten, wesentlichen gleich dem mittleren Abstand zweier die für die verschiedenen Luftspalte verantwortlich solcher Aluminiumoxydspitzen ist. Derartige kleine sind, im wesentlichen nicht zusammendrückbar und Membranteilbereiche können aber nur mit Vergleichs- 5 doch nachgiebig sind, bewirken große Signalschwanweise sehr kleinen Schwingungsamplituden schwin- kungen, die gewöhnlich für eine unmittelbare Berühgen, was wiederum zur Folge hat, daß die Kapazitäts- rung der äußeren metallisierten Schicht mit der änderung pro auftreffendem Schalldruck und damit Hinterplatte ausreichen, lediglich eine Berührung die Empfindlichkeit des Mikrophons recht klein zwischen zwei benachbarten Schichten, jedoch nicht wird. Aus diesem Grunde wurde bei diesem bekann- io eine feste Berührung von vorn nach hinten. Zum ten Mikrophon noch zusätzlich eine die Membran Beispiel kann die äußere leitende Schicht bei ihrer von der Aluminiumoxydschicht in Abstand haltende Schwingung auf die Hinterplatte zu, entlang einer durchlöcherte Zwischenlage vorgesehen, die entweder gegebenen Linie, senkrecht zur Ebene der Membran als durchlöcherter Isolierlackfilm ausgebildet ist oder die benachbarte dielektrische Zwischenschicht be- durch erhöhte Teile der Aluminiumoxydschicht ge- 15 rühren. Jedoch wird an dieser Berührungsstelle nicht bildet wird. Durch diese Maßnahme wird zwar die die gesamte Schwingung des äußeren Leiters verhin- Empfindlichkeit etwas vergrößert, aber zugleich hier- dert. Da eine Berührung zwischen der Zwischen- mit treten die im Zusammenhang mit der vorstehend schicht und der nächsten Schicht oder je nach dem genannten, bekannten Ausführung beschriebenen Aufbau zwischen einer anderen Hilfsschicht und der Nachteile auf, und zwar um so stärker, je größer 20 Hinterplatte entlang derselben Linie wegen der der Durchmesser der Löcher in der Isolierzwischen- großen Unregelmäßigkeiten der verschiedenen Luftlage ist. spalte höchst unwahrscheinlich ist, gibt die Zwi-

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die schenschicht nach und bewegt sich am Berührungs vorstehend genannten Nachteile zu beseitigen. Diese punkt zusammen mit der leitenden Schicht. Wenn Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß 25 auch die Schwankungen der leitenden Schicht etwas das Dielektrikum eine Mehrzahl dünner, aus dielek- gedämpft sein können, so hat dennoch die Schicht trischem Material bestehende Folien aufweist, die die Tendenz, in homogener Weise auf ihrer gesamten am Umfang zwischen Membran und Hinterplatte Oberfläche zu schwingen. Im allgemeinen ist es dicht übereinandergeschichtet festgelegt sind und den wenig wahrscheinlich, daß Schwankungen einer Luftspalt in im wesentlichen parallel zur Membran 30 Membran, die aus verschiedenen durch nicht gleich verlaufende unregelmäßige Teilluftspalte unterteilen, mäßige Luftspalte getrennten dünnen Schichten zu- und daß die Größe eines Teilluftspaltes in einer sammengesetzt ist, den Gesamtluftspalt bis zur parallel zur Ebene der Membranruhelage verlaufen- Grenze der Berührung zusammendrücken, der zwi- den Ebene von Punkt zu Punkt in zufälliger Weise sehen der äußeren leitenden Schicht und der Hinter schwankt, aber die Größe aller Teilluftspalte längs 35 platte an einzelnen Punkten vorhanden ist. Somit einer zur Ebene der Membranruhelage senkrecht sind Punkte mit hoher mechanischer Verzerrung verlaufenden Richtung in jedem Punkt der Mem- praktisch beseitigt, so daß die mittlere Verzerrung branoberfläche im wesentlichen konstant ist. des Wandlers verringert ist. Ferner sind Punkte mit

Wegen der Oberflächenunregelmäßigkeiten in der geringer Schwingungsamplitude praktisch beseitigt,

metallisierten Schicht, in den als Zwischen- oder 40 so daß der Wirkungsgrad des gesamten Systems ver-

Hilfsschichten dienenden Folien und in der Hinter- größert wird.

platte werden bei einem dichten Ineinandersetzen der Als weiterer Vorteil ist der Aufbau des Wandlers einzelnen Elemente sehr kleine Luftblasen zwischen vereinfacht, weil die infolge der normalen Bearbei- den verschiedenen Schichten eingeschlossen. Bei tungsverfahren auftretenden Unregelmäßigkeiten der diesem Aufbau haben die verschiedenen Luftschich- 45 Oberfläche völlig ausreichend sind und weil die kri- ten eine zufällige Form, so daß der gesamte Luft- tische Anbringung des äußeren Leiters in einem fest- spalt entlang einer gegebenen Linie senkrecht zur gelegten kleinen Abstand von der Hinterplatte auto ruhenden Ebene der Membran von Punkt zu Punkt matisch infolge der zwischengelegten Hilfsfilmschicht entlang der Oberfläche der Membran im wesent- (oder Schichten) erfolgt.

liehen konstant ist, jedoch von Punkt zu Punkt un- 5° Im Vergleich zu elektrostatischen Wandlern der

gleichmäßig verteilt ist. Wenn auch ein sehr großer bisherigen Art, ergibt die Erfindung ein Gerät mit

Ausschlag der Membran möglicherweise einen der vereinfachtem Aufbau, bei dem erstens der Abstand

Spalte zusammendrücken kann, so daß eine Beruh- zwischen den beiden Elektroden sehr klein gemacht

rung der metallisierten Schicht mit einem Punkt der werden kann, so daß der Wirkungsgrad der Einrich-

Hilfsschicht oder an einem anderen Punkt der Ober- 55 tung wesentlich erhöht wird, zweitens das polarisie-

fläche eine Berührung der Hilfsschicht mit der rende Potential ohne Gefahr eines Kurzschlusses

Hinterplatte entsteht, so ist es doch sehr unwahr- durch das Dielektrikum hindurch beträchtlich höher

scheinlich, daß gleichzeitig zwei Berührungen in gemacht werden kann, drittens die Resonanzfrequenz

einer gegebenen Senkrechten auftreten. Die Wahr- durch genaue Einstellung des mittleren Volumens

scheinlichkeit einer festen Berührung zwischen der 60 des Luftspaltes zwischen der Membran und der

metallisierten Folienschicht und der Hinterplatte, starren Hinterplatte geregelt werden kann und vier-

d. h. eine Berührung entlang einer einzigen zur tens der Wandler billig hergestellt werden kann, da

Schwingungsebene senkrechten Linie, ist somit sehr nur wenige kritische Teile vorhanden sind und billige

klein, so daß im wesentlichen in allen Fällen und bei Materialien benutzt werden können.

allen Signalpegeln die Membran frei schwingt. 65 Die Erfindung wird an Hand der nachfolgenden,

Mit Hilfe der dielektrischen Hilfs- oder Zwischen- eingehenden Erläuterung eines bevorzugten Ausfüh-

schichten ist demnach der Luftspalt zwischen der rungsbeispiels und der beigefügten Zeichnungen voll

äußeren leitenden Schicht und der Hinterplatte durch verständlich werden.

5 6

F i g. 1 der Zeichnungen zeigt einen Querschnitt Fläche der Hinterplatte festgeklemmt ist. Die der

eines Kondensatorkopfhörers, der eine bevorzugte Hinterplatte benachbarte Schicht (zur Erläuterung ist

Ausführung der Erfindung darstellt; nur eine derartige Schicht 14 dargestellt, jedoch

F i g. 2 zeigt einen Querschnitt eines kleinen Teils können erfindungsgemäß mehrere Schichten benutzt

der Membranschichten eines erfindungsgemäß auf- 5 werden) besteht aus einem dünnen Blatt aus dielek-

gebauten Wandlers in stark vergrößertem Maßstab; trischem Material, z. B. aus einem dünnen Film

F i g. 3 zeigt eine Gruppe von Diagrammen, welche (0,006 mm) aus plastischem Material, z. B. aus PoIy-

eine Form der Verzerrung darstellen, die bei elektro- alkylenterephthalat, das unter dem Namen Mylar

statischen Wandlern üblich ist; handelsüblich ist. Auf Wunsch kann auch ein dünne-

F i g. 4 und 5 stellen abhängig von der Frequenz io rer Film benutzt werden. Die äußere Schicht 15 be-

Schalldruck bzw. Verzerrung eines erfindungsgemä- steht aus einem dünnen Blatt aus Mylar, das auf der

ßen elektrostatischen Wandlers dar; einen Seite z. B. mit einer dünnen Aluminiumschicht

F i g. 6 zeigt die Impulskennlinie eines Konden- metallisiert ist. Derartige metallisierte Folien sind

satorkopfhörers. handelsüblich.

Es wird nun auf die Zeichnungen näher einge- 15 Der metallische Überzug der Folie 15 bildet das gangen. F i g. 1 zeigt im Schnitt einen erfindungs- eine Element eines Kondensators, wobei die Hintergemäß aufgebauten Kondensatorkopfhörer. Er be- platte 10 das andere leitende Element darstellt,
steht aus einer starren Hinterplatte 10, vorzugsweise Der isolierende Rahmen 13 wird durch einen aus Metall, z. B. aus einer Messingscheibe mit einem ringförmigen Metallrahmen 16 gehalten, der an Durchmesser von etwa 35 mm. Auf Wunsch können 20 seiner äußeren Kante mit einem Flansch versehen einige kleine Rippen 11 mit etwa 0,025 mm Höhe ist. Die verschiedenen Schichten sind mit Hilfe eines auf der oberen Oberfläche der Hinterplatte vorge- Ringes 17 mit dem Rahmen 16 verklemmt, wobei sehen werden, um die Bildung des Luftspaltes hinter der Ring 17 eine feste Passung mit dem oberen Teil der Membran zu erleichtern. Eine Vielzahl von des Flansches des Rahmens 16 bildet. In der Praxis Löchern oder Bohrungen 12 mit kleinem Durch- 25 ist im Ring 17 eine konvexe Erhebung ausgebildet, messer in der Hinterplatte ergeben zusammen mit die in eine entsprechende konkave Nut im Rahmen den Rippen ein ausreichendes Luftvolumen zur Er- 16 paßt. Diese Anordnung hat sich als zufriedenzielung einer gewünschten Resonanzfrequenz. Etwa stellend erwiesen, um eine ausreichend hohe mechazweihundert Löcher, die jeweils einen Durchmesser nische Spannung für die verschiedenen Schichten der von 1 mm und eine Tiefe von etwa 3,5 mm auf- 30 Membran zu liefern. Die Kante der Membran wird weisen, haben sich als ausreichend ergeben. Auf somit in einer festen glatten Lage gehalten. Selbst-Wunsch kann eins der Löcher durch die Hinterplatte verständlich können auf Wunsch kompliziertere Behindurchgeführt werden, oder es kann eine zusatz- festigungsmittel benutzt werden. Bei diesem Aufbau liehe Öffnung vorgesehen werden, um einen Aus- kann der elektrische Kontakt zu dem äußeren megleich mit dem Umgebungsdruck herbeizuführen. 35 tallisierten Folienelement des Kondensators über den

Im Gegensatz zu einem Kondensatorlautsprecher, Rahmen 16 und z. B. über die Klemme 18 sicher-

bei dem eine hohe Resonanzfrequenz ein Nachteil gestellt werden.

ist, ist bei einem Kondensatorkopfhörer eine hohe Wegen des Mehrschichtaufbaues der Membran Resonanzfrequenz erwünscht, weil der Strahlungs- kann gewöhnlich allein durch die Membranwiderstand konstant ist, solange der Kopfhörer in 40 einklemmung ein geringer Abstand zwischen der einen kleinen abgeschlossenen Raum strahlt. Dies ist Membran und der Hinterplatte erreicht werden. Jenormalerweise der Fall. Weiter ist bei einem Konden- doch sind erfindungsgemäß Vorkehrungen getroffen, satorkopfhörer eine viel geringere Schwingungs- um geringe Herstellungsunregelmäßigkeiten u. dgl. amplitude erforderlich als bei Lautsprechern, um zu kompensieren. Demgemäß ist ein zusätzlicher ausreichende Lautstärkepegel hervorzubringen. In 45 ringförmiger Halter 19 aus Isoliermaterial vorgeder Praxis liefern die Masse der Membran und die sehen. Er ist koaxial innerhalb des ringförmigen Nachgiebigkeit der Luftschicht eine Resonanz- Rahmens 16 angeordnet und hat einen solchen Abfrequenz von etwa 14 kHz. Die Resonanzfrequenz stand, daß er an den Isolierrahmen 13 anstößt. Auf eines elektrostatischen Wandlers, bei dem eine erfin- Wunsch kann das Teil 19 als Erhebung auf dem dungsgemäße Vielschichtmembran verwendet wird, 50 Rahmen 13 ausgebildet werden. Ein metallisches kann leicht so gewählt werden, daß sie im Ton- Teil 20, dessen Außenfläche mit einem Gewinde verfrequenz- oder im Ultraschallfrequenzbereich liegt. sehen ist, um mit einem Gewinde auf der Innenfläche Zum Beispiel wird durch Hinzufügen von mehreren des Halters 19 in Eingriff zu kommen, kann so vor-Schichten zu der Membran oder durch eine Ver- gerückt werden, daß es mit Hilfe eines Lagers 21 die größerung des Volumens zwischen der Membran und 55 Hinterplatte 10 in feste Berührung mit der Membran der Hinterplatte, z. B. durch Erhöhen der Anzahl bringt. Das Lager 21 hat vorzugsweise sphärische und der Größe der Bohrungen, in der Hinterplatte Form, so daß eine einzige Einstellung des mit Gedie Resonanzfrequenz des Systems herabgesetzt. winde versehenen Teils 20 die Hinterplatte in ge-

Die Hinterplatte 10 wird durch einen ringförmigen eigneter Weise neigt und einen richtigen Sitz der isolierenden Rahmen 13 gehalten, an dessen Umfang 60 Platte bewirkt. Man hat festgestellt, daß bei dieser Anein hochstehender Flansch angebracht ist. Der Rah- Ordnung geringste Einstellungen in bequemer Weise men 13 kann aus einem starren Isoliermaterial her- durchgeführt werden können. Der elektrische Kontakt gestellt sein, z. B. aus dem plastischen Material, das mit der Hinterplatte 10, z. B. dem zweiten Kondenunter dem Namen Lucite handelsüblich ist. Auf der satorelement, erfolgt zweckmäßigerweise über das Teil Fläche der Hinterplatte 10 ist eine dünne kreis- 65 20 und das Lager 21 und z. B. über die Klemme 22. förmige Membran angeordnet, die aus einer Anzahl Der gesamte Wandler wird vorzugsweise in ein von Schichten aus dünnem dielektrischem Material Außengehäuse 23 eingeschlossen, das aus einem gebesteht und die in unmittelbarer Nähe der oberen eigneten plastischem Material besteht, und das an

7 8

seiner Innenfläche mit einem Flansch od. dgl. ver- angelegte Signalspannung die gleiche Polarität hat

sehen ist, um den Rahmen 16 zu halten. Es kann an wie die Vorspannung, ferner ergeben sie einen

seiner Außenfläche mit Gewinde versehen sein, um wesentlich geringeren Wirkungsgrad des Wandlers.

einen Deckel 24 aus einem gleichen plastischen F i g. 3 zeigt diesen Zustand. Ein angelegtes sinus- Material aufzunehmen. Wie üblich ergeben das Ge- 5 förmiges Signal α von geringer Größe ergibt eine

häuse und der Deckel einen Schutz für die inneren unverzerrte Schwingung bei dem Vorwärtsausschlag

Elemente sowohl gegen mechanische Beschädigung der Membran und bei ihrer Rückkehr, so daß eine

als auch gegen Staub. Schalldruckwelle entsteht, welche dem Signal sehr

Erfindungsgemäß wird der Deckel 24 ferner so ähnlich ist. Ein etwas größeres angelegtes sinuseingerichtet, daß er zusammen mit dem Ring 17 und io förmiges Signal b erzeugt eine Schallwelle, die in-

der Membran einen Helmholz-Resonator bildet, der folge einer geringen Berührung der Membran mit

auf etwa 12000 Hz abgestimmt ist. Die ziemlich der Hinterplatte bei der zweiten Halbperiode etwas

hohe Resonanzfrequenz wird durch einen großen abgeflacht ist, während ein Signal von wesentlich

Halsquerschnitt erzielt. Die Resonanz des Hohl- größerer Amplitude eine Schallwelle erzeugt, z. B. die

raums kann weiter verbreitert werden, indem der 15 Welle c, die infolge einer festen Berührung der

Raum mit einem dämpfenden Material 25 gefüllt Membran mit der Hinterplatte an zahlreichen

wird. Zum Beispiel kann poröses Papiermaterial be- Punkten in ihrer zweiten Halbperiode beträchtlich

nutzt werden. Das dämpfende Material kann die verzerrt ist. Wie sich aus der Figur ergibt, enthält

metallisierte Folie ohne merkbare Wirkung berühren. die abgegebene Schalldruckwelle vorherrschend eine

Fig. 2 zeigt einen vergrößerten kleinen Quer- 20 Verzerrung der zweiten Harmonischen.
schnitt der Hinterplatte 10, der nicht metallisierten Mit Hilfe der Hilfsschichten aus nicht metallisier- Folie 14 und der metallisierten Folie 15. In der Dar- tem Film 14 entsprechend der Erfindung wird eine stellung ist eine einzige Folienschicht 14 Vorzugs- derartige durch eine körperliche Berührung ent weise aus einem Mylarblatt von 0,004 mm zwischen stehende Verzerrung im wesentlichen vermieden. Die eine Außenfolie 15 vorzugsweise aus Mylar von 25 kombinierte Dicke S (r) der beiden Luftschichten bei 0,006 mm, die auf der Außenseite mit einer dünnen der Membrananordnung der F i g. 2 beträgt
Aluminiumschicht überzogen ist, und die Hinter- <tm = ? M-μ«? Μ πϊ
platte 10 gelegt. Wie oben geschildert wurde, können ^{K) J ()} -^{K) K} '
zusätzliche Hilfsschichten zwischen die Folie 15 und wobei S₁ und S₂ die Dicke der Spalte zwischen den die Hinterplatte 10 gelegt werden. In der Praxis 30 Schichten 14 und 15 bzw. zwischen der Hinterplatte werden die verschiedenen Schichten zusammenge- 10 und der Schicht 14 auf einer Linie senkrecht zur bracht, indem sie so fest wie möglich zusammenge- ruhenden Ebene der Membran bezeichnen. Die drückt werden, um das Einschließen von großen Schwankung des Luftspaltes S(r) ist im allgemeinen Luftblasen zu vermeiden. Unter normalen Her- viel kleiner als die äquivalente Schwankung, die Stellungsbedingungen und ohne besondere Anstren- 35 durch einen einzigen Luftspalt zwischen der Mem- gungen werfen trotzdem sehr kleine Luftblasen zwi- branschicht und der Hinterplatte entsteht, d. h. als sehen den benachbarten Folien und zwischen der diejenige, die gewöhnlich ohne das Zwischenlegen Folie und der Hinterplatte wegen der stets vorhan- der Hilfsschichten vorhanden ist. Hierdurch entsteht denen Ungleichmäßigkeiten der verschiedenen Ober- eine gleichmäßigere Schwingungsamplitude auf der flächen eingeschlossen. Somit wird zwischen den 40 gesamten Oberfläche der äußeren Folie der Wandler- Schichten der Folie und zwischen der Folie und der membran. Ferner sind Punkte mit mechanischer Hinterplatte eine unregelmäßig geformte Luftschicht Verzerrung praktisch beseitigt, so daß die mittlere gebildet. Tatsächlich wird der einzige Spalt, der ge- Verzerrung des gesamten Systems herabgesetzt ist. wohnlich zwischen der leitenden Membranschicht Weiter sind Punkte mit niedriger Schwingungsund der Hinterplatte vorhanden ist, durch eine Viel- 45 amplitude praktisch beseitigt, so daß der Wirkungszahl von Luftzwischenspalten ersetzt. Dennoch ist grad des Systems vergrößert wird. Die Wahrschein- der gesamte Abstand der leitenden Schicht von der lichkeit eines höheren Wirkungsgrades und einer ge- Hinterplatte nur wenig größer als derjenige, der ge- ringeren Verzerrung nimmt mit der Anzahl der Wohnlich bei einem genauen Aufbau erzielt wird. Hilfsschichten zu, wobei jedoch vorausgesetzt ist, Wenn auch die genaue Verteilung der Luftspalte von 50 daß die Dicke der zusätzlichen Schichten nicht so Wandler zu Wandler wechselt, so hat man doch in groß ist, daß die elektrische Anziehung zwischen der der Praxis gefunden, daß die Nennabmessungen bei Hinterplatte und der metallisierten Schicht abnimmt. einer Anzahl von hergestellten Einheiten nur wenig Im Vergleich zu einem dynamischen Kopfhörer voneinander abweichen. zeigt der erfindungsgemäße Kondensatorkopfhörer

Ohne die Hilfsschicht der nicht metallisierten 55 eine bessere Frequenzkennlinie, einen besseren Wir- Folie 14 wird die metallisierte Folie 15 bei der kungsgrad und bessere Verzerrungsfreiheit. Der üblichen Praxis dicht bei der Hinterplatte 10 ange- Wirkungsgrad ist eine Funktion der angelegten Vor ordnet. Bei einer derartigen Anordnung ist nur ein spannung, der mechanischen Spannung der Membran einziger Luftspalt vorhanden, der für einen möglichst und der Nachgiebigkeit der Luftschicht. Wenn die hohen Wirkungsgrad sehr dünn ist. Demnach be- 60 angelegte Signalspannung z. B. eine Sinusschwingung wirken große Signalausschläge der Folienschicht 15, ist und im gesamten Frequenzbereich konstant ist, daß die Folie die Hinterplatte wiederholt berührt, ist die entstehende Kraft ebenfalls konstant. Bei und zwar an zahlreichen Punkten. Die Anzahl der Frequenzen, die geringer als die Resonanzfrequenz Berührungspunkte ist von der Schwingungsamplitude des Systems sind, die, wie vorher erwähnt wurde, bei und von den Dickeschwankungen der Luftschicht 65 etwa 12 000Hz liegt, ergibt eine konstante Kraft abhängig, d. h. damit von den Unregelmäßigkeiten einen konstanten Ausschlag. Bei einem konstanten der benachbarten Oberflächen. Berührungen dieser Koppler, dessen Abmessungen klein im Vergleich zur Art ergeben mechanische Verzerrungen, wenn die Wellenlänge sind, bewirkt ein konstanter Ausschlag

einen konstanten Druck. Daher erhält man eine flache Frequenzkennlinie für den Druck.

Fig. 4 zeigt die Frequenzkennlinie eines erfindungsgemäß aufgebauten Kondensatorkopfhörers im Vergleich mit derjenigen eines typischen dynamischen Kopfhörers. Es ist offensichtlich, daß der Kondensatorkopfhörer eine beträchtlich flachere Kennlinie, insbesondere bei höheren Frequenzen zeigt. F i g. 5 zeigt den Prozentsatz der gesamten harmonischen Verzerrung, die durch einen erfindungsgemäßen Kopfhörer erzeugt wird, als Funktion der Frequenz, ferner zeigt sie die Verzerrung, die durch einen Kondensator-Wandler hoher Qualität, der entsprechend bisheriger Verfahren aufgebaut ist, hervorgebracht wird, d.h. ohne daß Hilfsoberschichten aus dielektrischem Material vorgesehen sind. Die Kurve 1 zeigt die gesamte harmonische Verzerrung eines derartigen Kondensator-Wandlers bisheriger Art bei einem Signalpegel von 80 db Schalldruckpegel (SDP). Die Kurve 2, welche eine wesentlich geringere Verzerrung bei sämtlichen Frequenzen als die Kurve 1 zeigt, gibt die Verzerrung wieder, welche durch einen Wandler mit zwei Folien hervorgebracht wird, d.h. einer metallisierten äußeren Folie und einer Zwischenfolie (s. F i g. 2) bei einem gleichen Schalldruckpegel, d. h. bei 80 db. Die Kurve 3 zeigt bei demselben Vielfolienübertrager die Verzerrung, die bei einem Signalpegel von 100 db SDP hervorgebracht wird. Man sieht, daß auch bei diesem hohen Schalldruckpegel die gesamte harmonische Verzerrung bei sämtlichen Frequenzen beträchtlich geringer ist als diejenige eines Kondensatorkopfhörers der bisherigen Art. Obwohl nicht dargestellt, hat man festgestellt, daß der Kondensatorkopfhörer der Erfindung eine geringere Verzerrung im niedrigen und mittleren Frequenzbereich zeigt als ein dynamischer Kopfhörer hoher Qualität. Versuche zeigen jedoch, daß ein dynamischer Kopfhörer bei höheren Frequenzen etwas besser ist. Trotzdem ist die Verzerrung des Kondensatorkopfhörers noch geringer als 1% im gesamten Bereich der Schalldruckpegel von 100 db oder weniger.

F i g. 6 zeigt die Impulskennlinie eines entsprechend dem Erfindungsprinzip aufgebauten Kondensatorkopfhörers zusammen mit der Impulskennlinie eines dynamischen Kopfhörers hoher Qualität. Bei einem rechteckigen Eingangssignal, z. B. wie es in Zeile A dargestellt ist, hat der Kondensatorkopfhörer eine Impulskennlinie, wie sie in Zeile B dargestellt ist, die fast ein getreues Abbild des angelegten rechteckigen Signals ist. Der dynamische Kopfhörer »differenziert« andererseits den Eingangsimpuls und erzeugt verhältnismäßig scharfe Spitzen, Vielfachresonanzen und Schwingungen, wie sie auf Zeile C dargestellt sind.

In Anbetracht des reziproken Prinzips ergibt sich, daß der neuartige Wandler der Erfindung auch als Mikrophon verwendet werden kann, um auf die Membran auftreffende Schalldruckänderungen in Spannungsänderungen umzuwandeln. Der Ausdruck Wandler wird aus diesem Grunde verwendet, um den Aufbau der Einheit zu bezeichnen, und zwar unabhängig davon, ob sie eine Umwandlung von akustischer Energie in elektrische Energie oder umgekehrt bewirkt.

Dem mit dem Stand der Technik vertrauten Fachmann wird es klar sein, daß zahlreiche Abänderungen bei dem beschriebenen Aufbau und andere Anordnungen vorgeschlagen werden können, ohne vom Wesen und Ziel der Erfindung abzuweichen. Zum Beispiel kann die Hinterplatte des Kondensators zugunsten einer zweiten metallisierten Folienschicht weggelassen werden, die in Berührung mit einer Zwischenschicht gebracht wird, so daß die Membran beide Elemente eines Kondensators hält. Weiterhin kann die Membran so ausgebildet werden, daß die metallisierte Oberfläche den dielektrischen Hilfsschichten gegenüberliegt, so daß die plastische Hinterlegung der leitenden Oberfläche als Schutzmembran wirkt. Dann können weitere Hilfsschichten benutzt werden, um die geeignete Resonanzfrequenz und Membrannachgiebigkeit zu erzielen.

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Elektrostatischer Wandler, bei dem eine als Membran dienende, dünne, flexible Schicht aus leitendem Material am Umfang gegenüber einer im wesentlichen ebenen Oberfläche einer leitenden Hinterplatte zur Bildung eines gleichförmigen Luftspaltes angeordnet ist, elektrische Anschlüsse an der Membran und der Hinterplatte vorgesehen sind und im Luftspalt ein diesen teilweise ausfüllendes Dielektrikum angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Dielektrikum eine Mehrzahl dünner, aus dielektrischem Material bestehender Folien aufweist, die am Umfang zwischen Membran und Hinterplatte dicht übereinandergeschichtet festgelegt sind und den Luftspalt in im wesentlichen parallel zur Membran verlaufende, unregelmäßige Teilluftspalte unterteilen, und daß die Größe eines Teilluftspaltes in einer parallel zur Ebene der Membranruhelage verlaufenden Ebene von Punkt zu Punkt in zufälliger Weise schwankt, aber die Größe aller Teilluftspalte längs einer zur Ebene der Membranruhelage senkrecht verlaufenden Richtung in jedem Punkt der Membranoberfläche im wesentlichen konstant ist.

2. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hinterplatte starr ausgebildet ist und die Folien Bestandteil der Membran sind, deren Rand in einer straffen Plattenlage festgelegt ist.

3. Wandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß Membran und Folien aus Polyäthylenterephthalat (»Mylar«) bestehen, die Membran mit Aluminium metallisiert ist, die Folien etwa 0,006 mm dick sind und die Hinterplatte als perforierte Scheibe, bestehend aus einer Kupferzinklegierung, ausgebildet ist.

4. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einspannvorrichtung aus isolierendem Material zum Einspannen der Membran zusammen mit den Folien und der Hinterplatte vorgesehen ist und daß die Einspannvorrichtung auf der Seite der Membran eine Öffnung aufweist.

5. Wandler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnung einen großen Halsquerschnitt aufweist, der zusammen mit der Membran einen auf etwa 12 kHz abgestimmten Resonator bildet.

In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschriften Nr. 350 499, 892 773.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

509 537/268 3.65 © Bundesdruckerei Berlin