DE1762258C3

DE1762258C3 - Körperschallentkoppelter elektroakustischer Wandler

Info

Publication number: DE1762258C3
Application number: DE19681762258
Authority: DE
Inventors: Hans Dipl.-Phys. Dr.rer. nat.; Mertens Peter Dipl.-Phys. Dr.rer. nat.; 2800 Bremen Schlemm
Original assignee: Fried Krupp AG
Current assignee: Fried Krupp AG
Filing date: 1968-05-10
Publication date: 1977-01-13

Description

In Fig.2 ist das mechanische Schaltbild dieses Systems schematisch dargestellt. Es bedeutet hier:

M₁ die Masse der starren Frontmasse 3,

M₂ die Masse der starren Rückmasse 5,

M die Masse des Wandlerelements 4,

F die Federung des Wandlerelements 4,

F₁ die Federung der Ringfeder 6,

F₂ die Federung der Ringfeder 7.

Die Massen der Ringfedern 6 und 7 sind im allgemeinen gegenüber den Massen 3 und 5 zu vernachlässigen.

In F i g. 1 ist gezeigt, wie der Körperschall direkt an die beiden Ringfedern 6 und 7 mit Federungen F₁ und F₂ angreift. Im mechanischen Schaltbild sind daher die beiden Ringfedern 6 und 7 mit den Federungen F₁ und F₂ über starre Verbindungen mit der körperschallführenden Wand verbunden dargestellt. Die Ringfeder 6 mit der Federung F₁ ist mit der Masse M₁ der Frontmasse 3, die Ringfeder 7 mit der Masse M, der Rückmasse 5 gekoppelt, so daß der Federung F₁ die Masse M₁ und der Federung F₂ die Masse M₂ nachgeordnet ist. Teilt man die Masse M des Wandlerelements 4 in zwei Hälften, so schließt sich der Masse M₁ und der Masse M₂ jeweils eine Hälfte der Masse M des Wandlerelements 4 an. Zwischen den beiden Massehälften M/2 befindet sich die Feder des Wandlerelements 4 mit der Fedsrung F.

Auf die Feder des Wandlerelements 4 mit der Federung F üb.t der Körperschall auf der einen Seite einen Druck und auf der anderen Seite einen Zug aus. Damit die Gesamtauslängung bzw. resultierende Dehnung des Wandlerelements 4 Null ist, müssen die Federungen F₁ und F₂ abhängig von den Massen M₁ und M₂ der Front- und Rückmasse 3 und 5 und der Masse M des Wandlerelements 4 so dimensioniert werden, daß

F₁ (M₁ + M/2) = F₂ (M₂ + M/2).

F i g. 3 zeigt das elektrische Analogon des mechanischen Schaltbilds nach Fig. 2. In dem Buch »Grundzüge der Elektroakustik« von F. A. Fischer, Fachverlag Schiele & Schön, Berlin SW 29, 1950, ist im Kapitel I, § 5, § 6 und § 8 eine Darstellung gegeben, wie aus einem mechanischen Schaltbild eines elektroakustischen Wandlers ein elektrisches Analogon gewonnen wird, wobei zwei verschiedene Arten möglich sind. Das in Fig. 3 gezeigte elektrische Ersatzschaltbild ist ein Analogon erster Art, bei dem die Masse einer Induktivität, die Federung einem Kondensator, der Schalldruck einer elektrischen Spannung und die Schallschnelle einem elektrischen Strom entsprechen. Mit diesem Analogon erster Art ist es möglich, das mechanische Schaltbild gemäß F i g. 2 in ein elektrisches Ersatzschaltbild umzuwandeln, bei der eine Brückenschaltung erkennbar wird. Diese Brückenschaltung wird vom Körperschall als elektrische Spannung gespeist. Der eine Brückenzweig zeigt zwei Kondensatoren mit den Kapazitäten F₁ und F₂, der andere Brückenzweig die Induktivitäten M₁+M/2 und M₂ + M/2. Im Brückennullzweig liegt der Kondensator F, der die Federung des Wandlerelements 4 symbolisiert. Die Brückenschaltung befindet sich im abgeglichenen Zustand, wenn kein Strom durch den Brückennullzweig fließt, dann ist das Verhältnis der Blindwiderstände der Kondensatoren F₁ und F_t gerade gleich dem Verhältnis der Blindwiderstände der Induktivitäten M₂ + M/2 und M₁+ M/2. Aus der Gleichung

M₁ + M/2

ίο ergibt sich durch Umformung die Dimensionierungsvorschrift

F₁ (M₁ + M/2) = F, (M₂ + M/2) (I)

durch die erreicht ist, daß Körperschall von der Wand 2 nicht auf das Wandlerelement 4 einwirken kann.

Das angegebene Schaltbild gilt für einen Frequenzbereich, in dem die Einzelelemente konzentrierte

ao Schaltelemente bleiben.

Diese Bemessung ermöglicht die Schaffung körperschallunempfindlicher Wandler durch eine frequenzunabhängige Körperschallentkopplung im angegebenen Frequenzbereich und erlaubt gleichzeitig

as eine starre Befestigung des elektroakustischen Wandlers an körperschallführenden Trägerkonstruktionen ohne Zwischenschaltung eines zusätzlichen elastischen Gliedes mit den damit verbundenen Nachteilen.
In F i g. 4 ist ein weiteres Beispiel eines elektroakustischen Wandlers dargestellt, der rotationssymmetrisch und in bezug auf die Einleitung der Körperschallkräfte symmetrisch aufgebaut ist.

Die starre Halterung besteht hier aus einem an der körperschallführenden Wand 2 befestigten Bolzen 8 und den beiden Flanschen 9 und 10, die starr verbunden sind. Der Bolzen 8 wird axial von Körperschall angeregt (Doppelpfeil). Über zwei Ringfedern 11 und 12 ist das hohlzylinderförmige Wandlerelement 13 elastisch mit den Flanschen 9 und 10 verbunden. Ein Kunststoffüberzug 14 schützt den elektroakustischen Wandler gegen Umwelteinflüsse. Die Ringfedern 11 und 12 besitzen gleiche Federung F₁ = F₂. Die Flansche 9 und 10 haben gleiche Abmessungen und gleiche mechanische Eigenschaften.

Sie müssen nicht notwendigerweise starr sein. In diesem Fall trägt ihre voraussetzungsgemäß gleiche Federung in gleichem Maße zur effektiven Federung der Ringfedern bei. Das Material des Kunststoffüberzug» 14 ist so gewählt, daß seine mechanischen Eigen-

schäften im Ersatzschaltbild vernachlässigbar sind.

In F i g. 5 ist das elektrische Ersatzschaltbild dieses elektroakustischen Wandlers dargestellt, wobei M die Masse des Wandlerelements und F wiederum seine Federung symbolisiert. Die Brückenschaltung ist abgeglichen und somit F strom- und spannnungslos, wenn F₁ = F₂ ist. Da dies vorausgesetzt ist, erfüllt diese Schaltung als Spezialfall auch die Bedingung (I) (mit M₁ = M₂ = 0).

Das bedeutet für den mechanischen Fall, daß bei Körperschalleinwirkung die resultierende Dehnung an dem Wandlerelement 13 verschwindet, d. h., der von der Wand 2 auf den Bolzen 8 übertragene Körperschall kann nicht auf das Wandlerelement 13 wirken.

Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten Beispiele beschränkt.

Es sind nur axial wirkende Körperschallanregungen beschrieben worden. Aber auch bei lateraler und

insbesondere radialer Körperschalleinwirkung kann eine Körperschallentkopplung dadurch erreicht werden, daß die Kennwerte der Massen- und Federelemente für die betreffende Richtung gemäß der Bedingung (I) gewählt werden.

Ferner ist nur das Empfangsverhalten eines elektroakustischen Wandlers beschrieben. Nach dem Reziprozitätsprinzip gelten analoge Beziehungen für das Sendeverhalten. Im Sendefall wird am Wandlerelement eine Dehnung erzeugt, die bei Erfüllung der Bedingung (U) in einer starren Halterung bzw. im Gehäuse einander aufhebende Kräfte erzeugt, so daß das Gehäuse in Ruhe bleibt und seine Kräfte auf die tragende Konstruktion ausübt. Ein auf diese Weise gebauter Schallsender, z.B. nach Fig. 1, überträgt keinen Körperschall auf die Wand 2.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

¥

Claims

trieachse besonders ausgeprägt. Andererseits hat auch der Körperschall in der den elektroakustischen Wand-Patentansprüche: jer tragemjen Konstruktion eine Vorzugsrichtung; so ist in einem Blech der Vibrationsausschlag senkrecht

1. Körperschallentkoppelter elektroakustischer 5 zur Blechoberfläche meistens am größten. Aus diesen Wandler dessen Wandlerelement eine Eigenfede- Gründen werden Maßnahmen zur Korperschalldarnrung F in Richtung seiner schallempfindlichen mung vorwiegend nur fur eine Richtung erforderlich. Symmetrieachse, einer Eigenmasse M und ge- Eine weitergehende Körperschalldämmung wird

gebenenfalls Endmassen M₁ und M₂ aufweist und üblicherweise dadurch erreicht, daß zwischen die das in bezug auf seine Symmetrieachse zwischen io starre Halterung und den korperschallfuhrenden Be-Federelementen mit den Federungen F₁, F₉ in festigungsort ein zusätzliches elastisches Glied emgeeiner starren Halterung gehalten ist, dadurch setzt wird. Soll auf diese Weise eine ausreichende gekennzeichnet, daß die FederungenF₁,F_s Körperschalldämmung bis zu sehr tiefen Frequenzen und gegebenenfalls die Endmassen M₁, M, in Ab- erzielt werden, so muß das elastische Zusatzglied Bangigkeit von der Eigenmasse M derart" dimen- 15 sehr weich sein. Dadurch ergeben sich einmal geringe sioniert sind, daß sie der Gleichung mechanische Stabilität des Systems von Wandler und

elastischem Zusatzglied und zum anderen mangelnde

F₁ (M₁ + M/2) = F. (M₂ -f M/2) Maßhaltigkeit des Ortes des elektroakustischen Wand

lers an seiner Einbaustelle, was bei definierten Kon-

genügen. 20 figurationen von akustischen Gruppenanordnungen

2. Elektroakustischer Wandler nach Anspruch 1, stark stört. Ausnahmslos existiert bei diesem Wandgekennzeichnet durch einen in bezug auf die ler eine untere Grenzfrequenz, bei der die Kombina-Quermittelebene des Wandlerelements symmetri- tion elektroakustischer Wandler und zusätzliches sehen Aufbau, wobei die Federungen F, und F, elastisches Glied in Resonanz gerät und infolge Reund, falls vorhanden, die Endmassen M₁ und M* 25 sonanzüberhöhung Körperschall mit besonders starje untereinander gleich sind. " ker Amplitude auf das Wandlerelement gelangt.

Es ist deshalb Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen elektroakustischen Wandler zu schaffen, der in vorgebbaren Konfigurationen maßhaltig ein-30 zubauen ist und dabei innerhalb eines breiten Frequenzbereichs körperschallunempfindlich ist.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Federungen F₁, F₂ und gegebenenfalls Endmassen M₁, M₂ in Abhängigkeit von der Eigen-

Die Erfindung betrifft einen körperschallentkop- 35 masse M derart dimensioniert sind, daß sie der Gleipelten elektroakustischen Wandler, dessen Wandler- chung

element eine Eigenfederung F, in Richtung seiner F₁ (M₁ + M/2) = F₂ (M₂ + M/2)

schallempfindlichen Symmetrieachse eine Eigenmasse M und gegebenenfalls Endmass^n M₁ und M₂ genügen.

aufweist und das in bezug auf seine Symmetrieachse 40 Insbesondere wird die Aufgabe auch gelöst durch zwischen zwei Federelementen mit den Federun- einen elektroakustischen Wandler mit einem in bezug gen F₁ und F₂ in einer starren Halterung gehalten auf die Quermittelebene des Wandlerelements symist. Dabei wird unter dem Begriff Federung der Rezi- metrischen Aufbau der starren Halterung, wobei die prokwert der Federkonstanten verstanden. Federungen F₁ und F₂ und gegebenenfalls die Mas-

Bei den bekannten Wandlern der obengenannten 45 sen M₁ und M₂ je untereinander gleich sind.
Art handelt es sich beispielsweise um Schalldruck- Die Erfindung ist in der Zeichnung an Hand von

empfänger für Luftschall oder für Wasserschall. Bei Beispielen näher erläutert. Dabei zeigt
solchen Wandlern kann bei fehlender Körperschall- F i g. 1 einen körperschallentkoppelten Wandler,

entkopplung von der starren Halterung Körperschall F i g. 2 sein mechanisches Schaltbild,

auf oder in den Wandler gelangen und dort einen 50 F i g. 3 das zugehörige elektrische Ersatzschaltbild, Schalldruck vortäuschen, der im eigentlichen Luft- F i g. 4 ein zweites Beispiel eines Wandlers nach

oder Wasserschallfeld nicht vorhanden ist. der Erfindung,

Bei elektroakustischen Wandlern üblicher Bauart F i g. 5 dessen elektrisches Ersatzschaltbild,

ist das Wandlerelement bzw. der Schalldruck- oder Fig. 1 zeigt den Aufbau eines elektroakustischen

Schallschnellaufnehmer mit der starren Halterung 55 Wandlers im Schnitt. Der elektroakustische Wandler durch eine elastische Lagerung verbunden, wie es ist mit seinem Gehäuse 1, das gleichzeitig als starre beispielsweise in de deutschen Auslegeschrift Halterung dient, starr an einer körperschallführen-12 56 699 für ein Lavaliermikrophon beschrieben hat. den Wand 2 befestigt. In dem Gehäuse ist ein Ton-Die elastische Lagerung ist häufig für die Funktion pilz — bestehend aus der Frontmasse 3, dem druckdes elektroakustischen Wandlers unerläßlich und be- 6° oder schnellempfindlichen Wandlerelement 4 und der wirkt im allgemeinen nur eine teilweise Körperschall- Rückmasse 5 — mit den Ringfedern 6 und 7 bedämmung auf dem Übertragungswege von der starren festigt. Der Körperschall, der auf das Gehäuse 1 Halterung zum Wandlerelement. übertragen wird, wirkt in Richtung der schallemp-

Elektroakustische Wandler üblicher Bauart besit- findlichen Symmetrieachse des Wandlerelements 4, zen mindestens eine Symmetrieachse und sind oft ⁶5 nämlich in der durch den Doppelpfeil angezeigten rotationssymmetrisch aufgebaut. Die Körperschall- Richtung. Die Frontmasse 3 ist an das Luft- bzw. empfindlichkeit des elektroakustischen Wandlers ist Wasserschallfeld außerhalb des elektroakustischen auf Grund der Bauweise in Richtung einer Symme- Wandlers angekoppelt.