DE2428933C2 - Kopfhörer nach dem Zweiwegsystem - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Kopfhörer nach ■*" dem Zweiwegsystem, enthaltend ein Tiefton- und ein Hochtonsystem, wobei das Tieftonsystem ein elektrodynamischer Wandler ist.

Ein Kopfhörer, dessen Hörermuscheln mit zwei Wandlersystemen ausgerüstet sind, von denen eines die ⁴^ hohen, das andere die tiefen Frequenzen übertragen soll, ist bereits in der Form vorgeschlagen worden, daß durch eine besondere Anordnung zweier elektrodynamischer Wandler der Effekt eines Zweigwegsystems erzielt werden kann.

Da es bekannt ist, daß elektrodynamische Wandler, insbesondere bei ihrer Verwendung als Schallsender, im höheren Frequenzbereich einen ungleichmäßigen Frequenzverlauf aufweisen, stellt die vorgeschlagene Lösung zwar eine Verbesserung der bisher bekannt ^r" gewordenen Kopfhörer mit nur einem System dar, das Ideal wäre jedoch eine Lösung, bei der auch die höheren Frequenzen völlig gleichmäßig abgestrahlt werden.

Eine solche ideale Lösung stellt der erfindungsgemäße Vorschlag dar, der darin besteht, daß das ^b0 Hochtonsystem als elektrostatischer Wandler auf Elektretbasis ausgebildet ist und der zur Speisung des Hochtonsystems notwendige Übertrager im Kopfhörer eingebaut ist.

Elektrostatische Wandler auf Elektretbasis benötigen ^hl keine Polarisationsspannung, da diese entweder der Membran oder der Gegenelektrode bereits eingeprägt ist. Derartige Wandler zeichnen sich durch hohe Wiedergabetreue aus und wären daher vorzüglich für Kopfhörer geeignet wenn nicht die Notwendigkeit bestünde, sie über einen Transformator zu speisen. Ein solcher Übertrager muß, wenn er für den gesamten zu übertragenden Tonbereich ausgelegt ist in einer Größe ausgeführt werden, die seinen unmittelbaren Einba« im Kopfhörer unmöglich macht Außerdem ist es bei einem elektrostatischen Wandler schwierig, die für die Baßwiedergabe notwendige Schwingungsweite der Membran ohne große Verluste an Wirkungsgrad — der Abstand zwischen Membran und Elektrode muß entsprechend groß gemacht werden — zu realisieren. Um die Verluste zu kompensieren, müssen hohe Gleich- und Wechselspannungen aufgebracht werden, wodurch sich aber verschiedene Komplikationen ergeben.

Beschränkt man sich jedoch bei einem als Schallstrahler arbeitenden elektrostatischen Wandler auf Elektretbasis nur auf die Wiedergabe mittlerer und hoher Frequenzen, dann bedarf es nur eines kleinen Transformators, der ohne Schwierigkeit praktisch in jeden Hörer eingebaut werden kann, einen den genannten Frequenzbereich einwandfrei übertragenden, praktisch konstanten Übersetzungsfaktor aufweist und außerdem sehr preiswert hergestellt werden kann. Da bei den mittleren und hohen Frequenzen überdies keine großen Amplituden auftreten, kann der Abstand zwischen Gegenelektrode und Membran so gewählt werden, daß der optimale Wirkungsgrad erreicht wird.

Demgegenüber ist ein elektrodynamischer Wandler für Kopfhörer im höheren Frequenzbereich weniger günstig, da die Membran in dem genannten Bereich nicht mehr als Ganzes schwingt, sondern zur Ausbildung von Partialschwingungen, die teilweise unkontrollierbar sind, neigt. Dies zeigt sich in einem unruhigen Verlauf des Frequenzganges im Bereich über 1000 Hz. Unterhalb dieser Frequenzgrenze ist der Frequenzgang eines elektrodynamischen Wandlers hingegen als gut anzusehen, weshalb die erfindungsgemäß vorgeschlagene Kombination eines elektrodynamischen Wandlers als Tieftonsystem und eines elektrostatischen Wandlers auf Elektretbasis als Hochtonsystem sich als äußerst vorteilhaft erweist.

Die Unterbringung des elektrostatischen Hochtonwandlers läßt sich auf verschiedene Weise verwirklichen. Da er nur die mittleren bis hohen Frequenzen überträgt, soll das Koppelvolumen zwischen Gehöreingang und Wandlermembran klein sein. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß der elektrostatische Hochtonwandler praktisch unmittelbar am Ohr anliegt, wenn der Kopfhörer aufgesetzt ist, also vor dem Tieftonsystem angeordnet wird. Läßt man zwischen der Membran des Tieftonsystems und der Rückseite des Hochtonsystems einen Hohlraum sich ausbilden, so kann dieser zu einem Helmholtzresonator ergänzt werden, indem man die entsprechenden Schallaustrittskanäle vorsieht. Die Anordnung wirkt dann wie ein Tiefpaßfilter, das beispielsweise alle Frequenzen über 1000 Hz aussiebt.

Bei der vorstehend beschriebenen Anordnung wird man das Hochtonsystem zweckmäßigerweise in Form einer Scheibe ausbilden. Soll der elektrostatische Wandler jedoch eine größere Empfindlichkeit aufweisen, dann muß die Membranfläche vergrößert werden. Dies kann zweckmäßigerweise in der Form geschehen, daß man das Hochtonsystem kreisringförmig ausbildet.

Wählt man den Innendurchmesser des kreisringförmigen Hochtonsystems gleich jenem des Außendurchmessers des Tieftonsystems, kann man beide Wandler

zusammenstecken und es ergibt sich eine besonders flache Bauart, wobei jedoch unter Umständen auf den Hohlraum, der bei den anderen Ausführungsbeispielen als Teil eines akustischen Tiefpasses dient, verzichtet werden muß. Diesen Mangel kann man aber durch Parallelschaltung eines Kondensators zui Tauchspule des Tieftonsystems und eine entsprechende Dimensionierung des Transformators für das elektrostatische Hochtonsystem kompensieren, wenn die beiden Systeme z. B. elektrisch hintereinander geschaltet sind. Es sind natürlich auch andere Schaltungen vorstellbar.

Selbstverständlich ist es auch möglich, die vorstehend beschriebene elektrische Schaltungsanordnung mit der akustischen Anordnung zur Teilung des Frequenzbandes zu kombinieren oder nur eine der beiden anzuwenden. Welche Anordnung schließlich verwendet wird, ergibt sich aus den gestellten Forderungen.

Wenn eine besonders hohe Forderung an die Empfindlichkeit des elektrostatischen Hochtonsystems gestellt wird, dann empfiehlt es sich, diesem System eine scheibenförmige Gestalt zu geben, in deren Mitte eine Öffnung für den Schallaustritt aus der Kammer zwischen der Tieftonmembran und der Hinterseite des Hochtonsystems vorgesehen ist.

Weitere Vorteile und Erläuterungen der Erfindung können der folgenden Beschreibung an Hand der Zeichnung entnommen werden, in der

F i g. 1 den Frequenzgang eines elektrodynamischen Wandlers darstellt.

F i g. 2 den Wirkungsgrad eines elektrostatischen Wandlers in Abhängigkeit vom Abstand der Membran zur Gegenelektrode zeigt.

F i g. 3 einen Schnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Hörermuschel im Prinzip darstellt. Die

F i g. 4 bis 7 verschiedene Ausbildungsformen des elektrostatischen Hochtonsystems im Zusammenbau mit dem elektrodynamischen Tieftonsystem zeigen.

F i g. 8 eine elektrische Schaltung zum Betrieb der erfindungsgemäßen Anordnung zeigt, und

Fig.9 die Kombination eines dynamischen Kleinstlautsprechers mit einem Elektrethochtonwandler zeigt.

Fig. 1, die den Frequenzgang eines elektrodynamischen Wandlers, wie er in Kopfhörern Verwendung findet, zeigt, ist zu entnehmen, daß der Frequenzgang bis etwa 1000 Hz hervorragend glatt und nahezu horizontal verläuft. Im Bereich über 1000 Hz fällt die Frequenzkurve jedoch ab und zeigt außerdem relativ starke Unregelmäßigkeiten. Damit ist erwiesen, daß sich ein elektrodynamisches System insbesondere für die Wiedergabe von tieferen Frequenzen unter 1000 Hz hervorragend eignet.

Würde man für diesen Bereich ein elektrostatisches System verwenden, müßte dieses auch für die großen Schwingungsweiten der Membran bei den tiefen Frequenzen dimensioniert werden. Dies bedeutet, daß der Abstand Gegenelektrode/Membran entsprechend groß sein muß, was aber, wie Fi g. 2 erkennen läßt, zu einem merkbaren Rückgang der Empfindlichkeit des Wandlersystems führt. Begnügt man sich, wie bei der Erfindung, aber damit, daß der elektrostatische Wandler nur im höheren Frequenzbereich arbeiten soll, dann kann wegen der sehr viel geringeren Schwingungsweite der Membran bei den hohen Frequenzen der optimale Elektrodenabstand leicht eingehalten werden, d. h. der < erfindungsgemäß verwendete Hochtonwandler arbeitet in dem ihm zugeordneten Frequenzbereich mit dem höchstmöglichen Wirkungsgrad.

Die praktische Anwendung der aus den vorstehenden Ausführungen resultierenden Erkenntnisse führt daher zu dem in Fig.3 im Schnitt dargestellten ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung. In einem derzeit üblichen Gehäuse 6, das ungefähr die Gestalt einer halbkugeligen Schale hat, deren Rand mit einer weichen elastischen Auflage 6' versehen ist, sind die beiden Wandler 1 (Hochtonsystem) und 2 (Tieftonsystem) in einem Kunststofformkörper 6" untergebracht Der elektrostatische Wandler 1 befindet sich vor dem dynamischen Wandler 2. Beide Wandler liegen mit ihren Achsen auf einer gemeinsamen gedachten Geraden. Zwischen der Membran 3 des Tieftonsystems und der Hinterseite des Hochtonsystems 1 ist ein Hohlraum ausgebildet, der über die Öffnung 12 rings um den Wandler mit dem Kopplungsraum in Verbindung steht Das Volumen des Hohlraumes 4 und der Querschnitt bzw. die Länge der öffnung 12 bestimmen die Grenzfrequenz eines Tiefpasses. Außer den beiden Wandlern ist in der Hörermuschel 6 auch der Übertrager 7 für den Hochtonwandler 1 eingebaut. Ferner können in dem Gehäuse 6 auch sonstige Regelorgane oder elektrische Bauteile, wie beispielsweise der der Schwingspule des Tieftonsystems 2 parallelgeschaltete Kondensator 8, eingebaut sein. Das Gehäuse 6 kann auch mit Öffnungen 6'" versehen sein, um den Schallaustritt, insbesondere im tiefsten Frequenzbereich, zu ermöglichen.
Wie bereits früher erwähnt, kann der Hochtonwand-

ii) ler verschiedene Formen aufweisen. Entsprechende Ausführungsbeispiele sind in den F i g. 4 bis 7 dargestellt.

Das in F i g. 4 gezeigte Ausführungsbeispiel entspricht

im wesentlichen der in F i g. 3 gezeigten Anordnung. Die Abstrahlung der tiefen Frequenzen erfolgt durch die

;^r> Kanäle 5, die so dimensioniert sind, daß im Zusammenwirken mit dem Hohlraum 4 ein kontinuierlicher Übergang der Schallstrahlung vom Tieftonsystem zu der des Hochtonsystems erfolgt.
In Fig. 5 ist eine Anordnung gezeigt, bei der der elektrostatische Hochtonwandler \b ringförmig ausgebildet ist und dementsprechend auch eine ringförmige Membran 9 aufweist. Der innere Durchmesser des Hochtonsystems \bentspricht dem äußeren Durchmesser des Tieftonsystems 2, so daß beide Systeme

^r> ineinander gesteckt werden können. Damit läßt sich eine relativ geringe Bauhöhe erreichen, die für manche Zwecke erwünscht ist. Da man bei diesem Ausführungsbeispiel unter Umständen auf das Hohlraumvolumen, das in den F i g. 3,4 mit 4 bezeichnet ist, verzichten muß,

so ist es zweckmäßig, an Stelle des akustischen Tiefpaßfilters eine elektrische Weiche vorzusehen, wie dies in Fig.8 gezeigt ist. Die Primärwicklung des Übertragers 7 ist mit der Tauchspulenwicklung 13 des Tieftonsystems in Reihe geschaltet. Die geringe Impedanz der

« Primärwicklung stellt für die tiefen Frequenzen keinen nennenswerten Widerstand dar und es kommen diese daher an der Schwingspule 13 des Wandlers 2 praktisch voll zur Wirkung. Bei den hohen Frequenzen wirkt die Primärwicklung des Übertragers 7 hingegen wie eine

o Drosselspule, so daß sich zwischen der Übertragerwicklung und der Schwingspule ein großes Spannungsteilerverhältnis ergibt. Um dieses noch zu vergrößern, kann dem Tieftonsystem noch ein Kondensator 8 parallel geschaltet werden.

~> Für das Hochtonsystem 1 liegen die Verhältnisse gerade umgekehrt. Infolge der geringen Impedanz der Primärwicklung des Übertragers 7 kommen die tiefen Frequenzen nur in unbedeutendem Ausmaß zum

elektrostatischen Wandler und können daher in ihrer Wirkung praktisch vernachlässigt werden. Für die höheren Frequenzen hingegen ist der Übertrager ausreichend dimensioniert, so daß das Hochtonsystem 1 mit diesen Frequenzen voll beaufschlagt wird. Der "> eventuell vorgesehene Kondensator 8 verhindert, daß die Impedanz der Schwingspule des Tieftonlautsprechers sich bei den hohen Frequenzen störend auswirken kann.

Die in Fig. 8 gezeigte Schaltungsanordnung ist m selbstverständlich nicht auf das Ausführur.gsbeispiel gemäß Fig.4 beschränkt. Die Schaltungsanordnung kann auch zusammen mit dem akustischen Tiefpaßfilter 4,5 (F i g. 3,4,6 und 7) angewendet werden.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig.6 ist der r> Hochtonwandler la praktisch mit demselben Durchmesser ausgebildet wie der Tieftonwandler 2. Sofern der Hohlraum 4 mit den öffnungen 5 als Tiefpaß ausgebildet sein soll, muß jedoch für die Öffnungen 5 ein entsprechender Spalt freigelassen werden. 2»

Man kann ferner, wie F i g. 7 zeigt, den Hochtonwandler 1 auch mit einem größeren Durchmesser ausführen als dem Durchmesser des Tieftonsystems 2 entspricht. Zu einer solchen Lösung wird man insbesondere dann greifen, wenn man eine hohe Empfindlichkeit des 2> Hochtonsystems anstrebt, bzw. mit einem Übertrager 7 auskommen will, der ein relativ kleines Übersetzungsverhältnis aufweist. Im Ausführungsbeispiel nach F i g. 7 ist der Hochtonwandler 1 als scheibenförmiger Körper ausgebildet, der eine zentrale öffnung 12 aufweist, die m die in den bisher beschriebenen Ausführungsbeispielen von den Öffnungen 5 erfüllte Aufgabe übernimmt.

Die Kombination eines dynamischen Kleinstlautsprechers mit einem Elektrethochtonwandler und angebautem Übertrager zeigt Fig.9. Im Korb 22 ist die Membran 23 befestigt. Eine Halteplatte 24 trägt den Elekretwandler 25 und weist Schallöffnungen 26 auf. Am Korb 22 ist der Übertrager 27 befestigt, der die Wechselspannungen in die für den Elektretwandler erforderliche Höhe transformiert.

Der Fortschritt des erfindungsgemäßen Hörers gegenüber den bekannten liegt darin, daß außer dem günstigen Verhalten des dynamischen Systems im Bereich der niederen Frequenzen und u. a. die präzise Umwandlung der Einschwingvorgänge der flächenförmig angetriebenen Membran des Hochtonwandlers für die hohen Frequenzen der Aufwand für den Übertrager für das elektrostatische System sehr gering ist, im Vergleich zu einem den gesamten Übertragungsbereich überstreichenden Kondensatorwandler, weil der Übertrager ja nur für die hohen Frequenzen ausgelegt werden muß und daher ein sehr kleines Kernvolumen und eine geringe Windungszahl für diesen Zweck genügt.

Der erfindungsgemäße Kopfhörer ermöglicht es, die vorgeschriebenen Sicherheitsbedingungen für eine einen elektrostatischen Wandler enthaltende Hörermuschel mit bescheidendenen Mitteln einzuhalten und auch den erforderlichen Übertrager in den Kopfhörer einzubauen.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Kopfhörer nach dem Zweiwegprinzip, bestehend aus einem Tiefton- und einem Hochtonsystem, wobei das Tieftonsystem ein elektrodynamischer ί Wandler ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Hochtonsystem als elektrostatischer Wandler auf Elektretbasis ausgebildet ist und der zur Speisung des Hochtonsystems notwendige Übertrager im Kopfhörer eingebaut ist '^u

2. Kopfhörer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Hochtonsystem scheibenförmig ausgebildet und koaxial zum Tieftonsystem angeordnet ist

3. Kopfhörer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß das Hochtonsystem kreisringförmig ausgebildet ist

4. Kopfhörer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet daß der innere Durchmesser des kreisringförmigen Hochtonsystems dem äußeren Durchmesser des Tieftonsystems entspricht und dieses in die ringförmige Ausnehmung des Hochtonsystems eingesetzt ist

5. Kopfhörer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der innere Durchmesser des kreisringförmigen Hochtonsystems den Abmessungen eines Schallkanals entspricht, der mit dem zwischen der Membran des Tieftonwandlers und der Rückseite des Hochtonwandlers ausgebildeten Hohlraum einen H elmholtzresonator bildet

6. Kopfhörer nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet daß für die Teilung des Frequenzbandes akustische und bzw. oder elektrische Elemente vorgesehen sind, die im Kopfhörer eingebaut sind. ^r>