DE2913804C2

DE2913804C2 - Verfahren zur breitbandigen Schallerzeugung

Info

Publication number: DE2913804C2
Application number: DE2913804A
Authority: DE
Inventors: Alan Eugene Albuquerque N.Mex. Hill
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1978-04-05
Filing date: 1979-04-05
Publication date: 1986-03-27
Also published as: CA1146258A; FR2422314A1; US4219705A; JPH0313800B2; DE2913804A1; GB2023373A; JPS54143225A; FR2422314B1; JPH02198300A; GB2023373B

Description

C¹OT(T) , .,ΐδΤ (τ) _,

+ A — = ff ω cos ω τ

5-i—ί- + A

er er

Λ·-

T₀ Ax

hericiibar sind.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärme- und Druckgradienten durch Abführen von Wärme aus dem Plasma unter Verwendung einer Wärmesenke und in Zusammenwirken mit der Steuerung des räumlichen Energieflusses zum Plasma in einer bestimmten räumlichen Verteilung gebildet werden.

Die Erfir.Jung betrifft ein Verfahren zur breitbandigen Schallerzeugung, bei welchem elektrische Signale an in einem Entladungsraum nv*. Plasma befindliche Elektroden angelegt werden, wobei Gas in den Entladungsraum eingeleitet wird.

Bei der aus der US-PS 31 85 778 bekannten Vorrichtung zur Schallerzeugung werden elektrische Signale an Elektroden angelegt, die in einer Kammer angeordnet sind, in welcher ein Plasmastrahl erzeugt wird. Die Kammer ist mit einer rnittigen Austrittsöffnung für den Plasmastrah! und mit einer tangential angeordneten Eintrittsöffnung für einen Gasstrahl angeordnet, der von außen aufdas Plasma auftrifft und zusammen mit diesem die Kammer durch die Austrittsöffnung verläßt. Dabei vermittelt der Gasstrahl dem Plasma durch sein tangentiales Eintreten einen Drall, führt ihm aber keine Wärme zu.

Aufgabe der Erfindung ist es nun, ein Verfahren zur breitbandigen Schallerzeugung der eingangs genannten Art für einen Schallerzeuger anzugeben, bei dem das Plasma als schwingungsfähiges Gebilde dient, um den Frequenzgang durch Regeln der Zustandsgrößen des Plasmas wie Temperatur, Druck und Dichte in ihrer Verteilung zu linearisieren.

Diese Linearisierung wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß vorerwärmte Luft in den Entladungsraum eingeleitet und durch das Plasma von innen her hindurcngedrückt wird und daß der räumliche Wärmenuß zum

-15 Plasma derart gesteuert wird, daß bestimmte Wärme- und Dichtegradienten im Grenzbereich des Plasmas mit der unmittelbar umgebenden Luft eingestellt werden, durch welche eine Erweiterung des Frequenzbereichs resultiert, wobei Luft und Plasma bestimmte Eiigenschaftswerte aufweisen, die aus den Gleichungen

r-'ίΓ (r) , .,ίδΤ U) _D,

^— + A = B ω COS(W r

fr CT

S-Il₊-L
(AxYp₀C,. T₀ Ax

PoC · T„

herleitbar sind,
Dabei bedeuten:

A' = -, —£ + — = Thermische Rcluxationszcitkonstante

(AxYp₁₁C₁ T„ Ax

ΙΟ⁶/ Ε T„ _c -ft.

= —- α —2- = Energiezufuhr

Po C, ' T₀

<y = 2 η/= Antriebsfrequenz

α = Modulationsfaktor

P_n = Atmospfaärendruck = 10- Newton/m²

Po = atmosphärische Dichte = 1,24 ng/nr'

T₀ = Außentemperatur = 300°K

y = C/C = 1,4

ν = Fließgeschwindigkeit des Gases durch das Plasma

Ax= Plasmadicke, Mitte bis Außengrenze

T_U) = Temperatur (⁰K)

τ = Zeit in Sek.

K = Wärmeleitfähigkeit des Plasmas

j = Stromdichte des Plasmas

E = elektrisches Feld des Plasmas

Eine vorteilhafte weitere Ausgestaltung des Verfahrens ist im Anspruch 2 definiert.

Das Verfahren gemäß der Erfindung gestatte: den Einsatz großvolumiger, hinsichtlich der Gestalt, der Temperaturverteilung und der elektrischen Leitfähigkeit genau geregelter Plasmen, die große Mengen an Schallenergie ohne Trichteraufladung (horn loading) über einen weiteren Frequenzbereich und mit geringerer Störung ausstrahlen, als dies bei bekannten Verfahren und Bauformen möglich ist. Der hier verwendete Ausdruck »Plasma« hat folgende Bedeutung:

Plasma: Eine Vielheit von Ionen, Elektronen, neutralen Atomen und/oder Molekülen, in welcher die Bewegung der Teilchen von elektromagnetischen Wechselwirkungen beherrscht wird. Ein Plasma ist nach außenhin neutral. Es gibt eine gleiche Anzahl von positiven und negativen Ladungen in jedem mikroskopischen Volumen eines Plasmas. Ein Plasma ist ein Leiter und tritt mit elektromagnetischen Feldern in Wechselwirkung.

Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren betriebene Schallerzeuger erzeugen; Schallwellen direkt aus einer elektro-akustischen bzw. thermo-akustischen Energieumwandlung in Luft und ohns die Verwendung von mechanisch schwingenden Bauformen. Da das Plasma keine Trägheit zeigt, können kurzfristige Zustandsänderungen (transient phenomena) ohne die Störungen, Verzerrungen und Zeitverzögerungen wiedergegeben werden, welche herkömmliche Lautsprecher kennzeichnen. Der Frequenzgang (frequency response) ist flach und resonanzfrei, die Verzerrung durch Zwischenmodulation und die Klirrdämpfung sind gegenüber herkömmlichen Lautsprechern beträchtlich vermindert. Es entsteht keine Brechungswelle in Verbindung mit einer Druckwelle, und dementsprechend sind keine herkömmlichen Gehäus-.· erforderlich. Die durch die Gehäuseresonanz w hervorgerufene Klangfärbung und die durch die Druckbelastung hervorgerufene Klirrdämpfung sind daher beseitigt.

Das System strahlt eine nahezu vollkommene halbkugelformige Wellenfront über seinen gesamten Frequenzbereich aus, was zu einer überlegenen, interferometrisch stereophonen Wiedergabe führt, wenn das System mit zwei Lautspiechern fur stereophone Wiedergabe betrieben wird.

Im folgenden werden bevorzugte Ausfuhrungsformen der Erfindung an Hand der beigefügten Zeichnungen weiter erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Seitenansicht eines Plasmas mit darin herrschenden Energieverhältnissen, Fig. 2 eine schematised seitliche Teilansicht eines Plasmas gemäß der Erfindung, Fig. 3 graphisch die Energieverhältnisse des in Fig. 2 gezeigten Plasmas, Fig. 4 graphisch die Beziehung zwischen Amplitude und Frequenz bei der Schallerzeugung,

Fig. 5 graphisch die Beziehung zwischen Amplitude und Frequenz eines einzelnen Increments gemäß Fig. 4,

Fig. 6 perspektivisch und schematisch eine zweite Ausfuhrungsform der Erijndung, Fig. 7 perspektivisch und schematisch eine dritte Ausfiihrungsform der Erfindung, Fig. 8 perspektivisch eine Kathoden- und Kühlanordnung,

Fig. 9 einen seitlichen Teilschnitt längs der Linien 9-9 in Fig. 10, Fig. 10 eine Aufsicht längs der Linien 10-10 in Fig. 9 und

Fig. 11 einen Querschnitt längs der Linien 11-11 in Fig. 10.

Die nachfolgende Analyse dient als Grundlage zum Verständnis des später als Beispiel der Anwendung des Verfahrens in der Praxis beschriebenen physikalischen Aufbaus.

Es soll eine Plasmabahn gebildet werden, die dünn gegenüber der kürzesten wiederzugebenen Wellenlänge (etwa 20 MHz) ist und sich über einen genügend großen Bereich erstreckt, um ohne Trichteraufladung (horn loading) jeden gewünschten Schalldruck aussenden zu können. Die Plasmabahn kann gekrümmt sein, um die Winkelverteilung des Ausstrahlmusters zu erweitern, wenn ihre Fläche groß ist gegenüber den hier interessierenden Wellenlängen. Die j :«ührt daher, daß die Beugung allein nicht das gewünschte, halbkugelfSrmige Muster ergibt. Der Ionisationsgrad des Plasmas wird mit Hilfe eines elektrischen Feldes gesteuert, welches der Plasmabahn thermische Energie zuführt. Das Plasma hat ein heißes Inneres mit einem steilen Temperaturgeßlle längs

seiner Grenzfläche zur Umgebungsluft, wie in F i g. I gezeigt ist. Die Wärmeenergie fließt, vom Temperaturge- falle (bzw. den Wiirmegradienten) und von erzwungener Konvektion getrieben, durch die Grenzfläcne, so daß Wärmezufuhr und Wärmeabfuhr im Gleichgewicht stehen und die Temperatur (7") sich nicht mit der Zeit ändert. Dies gilt auch Tür das Dichtegefälle bzw. den Dichtegradienten (p), der umgekehrt proportional dem Temperaturgradienten ist, so daß das heiße Plasma gemäß dem idealen Gasgesetz etwas weniger dicht als die Umgebungsluft ist, aber unter gleichem Druck steht.

h. = £i.L· (D

P\ P\ T₁

worin P den Druck, ρ die Dichte, Γ die Temperatur und die Indizes 1 bzw. 2 die Anfangs- bzw. Endwerte bezeichnen.

Es sei nun angenommen, daß die Rate des Energieflusses in das Plasma geändert, beispielsweise erhöht, wird. Wenn die Änderung allmählich erfolgt, wird das Plasma einfach eine neue Temperatur erreichen, sein Volumen leicht ändern und weniger dicht werden, während der Druck im Inneren immer noch dem Außendruck entsprechen wird. Wenn jedoch die Änderung rasch genug erfolgt, so daß die Wärmeabfuhr nach außen dieser Änderung nicht sogleich folgen kann, entsteht eine augenblickliche Druckänderung, die im adiabatischen Grenzfall wie folgt ausgedrückt werden kann

P₁ __ fpA> ₍₂₎

P₁
wobei γ = —c

mit

C_n = spezifische Wärme bei konstantem Druck,
C, = spezifische Wärme bei konstantem Volumen.

Gelangt man nun adiabatisch von Γ, zu Γ- = Γ+ <5 7"(mit einer zugehörigen Druckänderung von P₁ zu P- = P+ OP), ergibt sich aus den Gleichungen (1) und (2), daß:

P V TJ

Bei Verwendung der Reihenentwicklung

wird deutlich, daß die Gleichung (3) in Näherung vereinfacht werden kann zu:

if = (JL·) AL

ρ Vy-I/ T

(4)

wobei bei Temperaturschwankungen in der Größenordnung von— = 0,01 nur ein Fehler von 1,2% auftritt (so

große Temperaturschwankungen treten im hier betrachteten Fall nicht auf)-Diese Druckschwankungen strahlen Schallwellen mit folgender Energieintensität aus:

_W_ ₌ <δΡ>^: Γ Watt 1 _(5J

m^: VpoTPo L Meter J

hierin bedeuten <6P> den quadratischen Mittelwert der durchschnittlichen Druckschwankungsgröße, p₀ die Umgebungsdichte und Pq den Umgebungsdruck. Soweit die Bedingungen adiabatisch sind, kann man die ausgestrahlte akustische Energie mit den Temperaturschwankungen wie folgt verknüpfen:

(6) JW ₌ -\\ - -

Γ""¹ VPoY Pa

oder

JW ₌ ° Vy-I/ Y\ T/ J

wenn man die lineare Näherung verwendet. Es ist sofort ersichtlich, daß der Wirkungsgrad der Schallerzeugung quadratisch mit der Abnahme der Plasmatemperatur fzunimmt (bei einer konstanten Temperaturstörung a T).

Es ist nun zu bestimmen, was für ein— im Hinblick aul'dic Energiezufuhr des Plasmas und dieGrenzbedingungcn in Gleichung (7) einzusetzen ist. Dazu wird die Wärmegleichung der allgemeinen Form

"Ttx. T) - '2 _T _i_ Q' ,o»

—; ^av 'ix.i-i ⁺ —ττ ("'

dr ρ C₁.

mit ίο

a = Wärmeleitfähigkeit,

Q' = Wärme/Volumeneinheit,

χ = Zeiteinheit,

T = Temperatur und

/ = Zeit gelöst.

Es werden nun einige vereinfachende Annahmen über die Form der Temperaturverteilung getroffen; dann ist eine abgeschlossene Lösung möglich, welche die wesentlichen physikalischen Tatsachen offenbart. Es sei angenommen, daß die Wärme aus einer dünnen Schicht in der Mitte des Plasmas hervortritt und der Umgebungsluft durch einen linearen Temperaturgradienten an jeder Oberfläche zugeführt wird, wie F i g. 1 zeigt. Es sei ferner angenommen, daß Wärme durch Konvektionsströmung eines Gases abgeführt werden kann, welches mit einer Geschwindigkeit ν durch das Plasma hindurchstreicht. Obgleich dies mit der Annahme über die Wärmeabfuhr unvereinbar ist, sei die Energieabfuhr über das ganze Plasmavolumen als gleichförmig betrachtet. Die hauptsächliche Konsequenz dieser Unvereinbarkeit ist eine Unterschätzung der Temperatur um einen Faktor von höchstens 2. Dies erlaubt jedoch eine direkte eindimensionale Integration der Wärmegleichung, wobei das meiste der physikalischen Aussage erhalten bleibt.

Die Wärmegleichung (8) kann Tür eine Temperaturstörung /"(temperature perturbation), die Energiezufuhr und Wärmevcrluste (sowohl durch Wärmeleitung als auch durch Konvektion) ausgedrückt werden als: ίο

x) PoC_v T„ Ax Nach Differenzieren und mit

T₁₁₁ = T, + T„_t

nimmt diese Gleichung die folgende Form an:

+ A' = B'mcosBi (10)

er er

wobei, wie bereits einleitend gesagt,

A' = 5 ^- + — = thermische Relaxationszeitkonstante (H)

(Ax) PoC, (T₁₁) Ax

ff = u ¥2 = Energiezufuhr (12)

C ' (T₀)

ω = 2 /τ/;/= Antriebsfrequenz

μ = Modulationsfaktor

P_a = Atmosphärendruck = 10⁵ Newton/m²

P₀ = atmosphärische Dichte = 1,24 ng/m³

T₀ = Außentemperatur = 300⁰K

Y = C/C_r - 1,4

ν = Fließgeschwindigkeit des Gases durch das Plasma

Ax= Plasmadicke, Mitte bis Außengrenze

7J_rj = Temperatur (°K)

τ = Zeit in Sek.

K = Wärmeleitfähigkeit des Plasmas

/_ = Stromdichte des Plasmas

E = elektrisches Feld des Plasmas.

Die zur Lösung der Gleichungen (10), (11) und (12) erforderlichen Schritte sind für diese Beschreibung zu lang, so daß nur die Lösung angegeben wird. Unter den Grenzbedingungen der Fig. 1 lautet die Lösung:

mit und

öl	(A	ω Β'
T		^α + ω²)
R' =	■^Ε, ι

JL-- sin (ωT + arctan (- JL WTJ \ \ A¹

., , K (TA ₊ _^_ 15 (Ax)²PuC₁ \Tj Ax

Die ausgestrahlte akustische Energie (in Watt/rrr) läßt sich endlich ausdrucken als:

nv

_£=. Γ Γ

in Einheiten der thermischen Relaxationszeitkonstante A' und der Energiezufuhr B'. Ein physikalischer Einblick kann durch Untersuchung der Gleichung in ihrer ausführlichsten Form gewonnen werden. Diese ausführlichste Form ist:

VV

m²

P„

1 +

2XlQ-⁶C₁ ΐΐ-(Ax)J-E

T,

PC.AX

+ ν X

ρ CAA χ)²

+ ν

Jv

Vc₁J,

-cosiur

\2

^x pc,-

sin(<yr)

·- 1

Der Ausdruck./ · £ im Nenner zeigt z. B., daß die Schallwiedergabe unwirksamer wird, wenn mehr Gleichstromenergie zugeführt oder die durchschnittliche Plasmatemperatur erhöht wird. Dafür kann jedoch eine größere Linearität erzielt werden.

Diese Gleichungen sind nur gültig, solange auf der Zeitskala einer akustischen Störung ^acoustical perturbation) verhältnismäßig wenig Wärmeenergie aus dem Plasma abgeführt wird. Bei einer vorgegebenen physikalischen Anordnung gibt es eine Tonfrequenz/_it unterhalb welcher die Intensität der Schallerzeugung abfällt. An diesem Punkt trifft die adiabatische Annahme, daß ρ = p^r ist, nicht mehr zu, und statt dessen ist ρ = konstant (= Atmosphärendruck) im Grenzfall, für den die Frequenz gegen Null geht, so daß keine Schallwelle erzeugt wird.

Man kann zeigen, daß der Term A' in Gleichung (11) tatsächlich die Zeitkonstante für eine eintretende Wärmeänderung ist, die bei einer plötzlichen Änderung der Antriebsenergie j · E (die in B' enthalten ist) auftritt. Wenn ein Energieimpuls einen Temperaturschritt δ T über die normale Temperatur T_p hinaus erzeugt (wobei die Außenluft eine Temperatur von T₁, hat), wird die Temperatur gemäß folgender Gleichung zu T_p zurückkehren:

_iZL_ = i-e-¹'

τ;-τ;

d. h. die benötigte Zeit ist

mit

L₁() Ax- P₀C₁ \TJ Ax

Die Erfindung offenbart Verfahren und Bauformen für eine inkrementell räumliche Verteilung verschiedener Werte dieser physikalischen Parameter über das gesamte elektrische Entladungsvolumen, so daß jede räumliehe Zunahme eine andere Frequenzgangkurve erzeugt, wie Fig. 4 zeigt.

Gewünscht ist ein gleichförmiger Frequenzgang zwischen zwei Grenzwerten/, und/,, so daß die Verteilung der Kurven in F i g. 4 über das gesamte Entladungsvolumen integriert, d. h. summiert oder gemittclt die gleiche Amplitude bei jeder Frequenz erzeugen muß.

Im allgemeinen kann der Term W in Gleichung (15) als Volumenintegration über eine geeignete Verteilungsfunktion (ΜΙ,·.,...-)) ausgedrückt werden:

nr JJJ

Da aber W = W_{A) und Ä = Α\_{Λχ r},,, ,,> sowie Δ χ = A X₁ ₁, ,ι, ist die Verteilungsfunktion einfach die abgeleitete Kettenfunkticn der Gleichung (15) und umfaßt sämtliche räumlichen Freiheitsgrade.

Es ist daher zu erwarten, daß die Schallerzeugung abnimmt, wenn ein Taktzeitviertel wesentlich länger als die Zeitkonstante der Wärmeübertragung wird:

Andererseils wird aus der Gleichung (15) deutlich, daß der Wirkungsgrad der Schallerzeugung auch für

/>— abfällt, da die Amplitude der Welle den Wert

B

hat. Physikalisch gesehen erfolgt dies, weil die positiven und negativen Zyklen der thermischen Störung einander mehr und mehr aufheben, wenn die Zeitspanne 7", klein wird im Vergleich zur Wiirmeübergangszeit \IA'. Das Ergebnis ist, daß für eine bestimmte physikalische Anordnung (d. h. für spezifische .v, »·. T₇,, A') der Frequenzgang im allgemeinen die in Fig. 5 gezeigte Form hat.

Betrachtet man eine räumliche Änderung nur in einer Richtung (d. h. der elektrischen Feldrichtung z) und nimmt man Symmetrie um die anderen beiden orthogonalen Koordinaten an, kann man folgende Bedingung aufstellen:

dl

.= ("Adz = f (J-

nr - dz J \, A c(Ax) Cz CA' C T₁,

so daß Wim' = konstant, unabhängig von/zwischen /", und/, ist. Die Ausdrücke -^-, — und -— sind aus

CA' CiJ.x) CT_n

der Gleichung (15) bekannt, so daß nur noch die Ausdrücke·^ und bestimmt zu werden brauchen, um

Cz Cz

um die obige Bedingung zu erfüllen. Als Beispiel wird jedes inkrementelle Volumenelement längs ζ bestimmt, einen entsprechenden inkrementellen Teil des Frequenzspektrums wiederzugeben. Das heißt, für jede Entfernung ζ beträgt Ä. = 4/. Tür optimale Leistung bei der Frequenz/., so daß gefordert isi, daß/. =/ + , und man A χ oder ν oder T_P (oder jede Kombination dieser) ändert, damit

7'(W^)^z) ^(I8)

y P Ax \ \ I J J

Für alle ζ ist. Die Summe über alle Volumenelemente von ζ = 0 bis 1 in der Gleichung (17) würde eine zwischen/ und/, von der Frequenz unabhängige Gesamtabstrahlung an Energie ergeben.

Bei Erregung des Plasmas durch selbsterhaltende elektrische Entladung muß das elektrische Feld groß genug sein, um eine Ionisierung hervorzurufen. Dieses Verfahren ist in den Fig. 2, 6, 7, 8, 9, 10 und 11 gezeigt. Die Elektronen und Ionen werden durch das gleiche Feld beschleunigt, welches sie erzeugt, und erzeugen einen mittels Kaihoden- und Anodenvorrichtungen im Enttadungsvolumen fließenden Strom. Wenn die Entladung nicht durch die hier beschriebenen Verfahren und Einrichtungen gesteuert wird, schrumpft die Entladung aufgrund der Instabilitäten der thermischen Ionisation und Elektrodengrenzendeffekten auf eine dünne, dichte Säule zusammen.

In der nachfolgenden Beschreibung werden gleiche Bezugszeichen zur Bezeichnung gleicher oder ähnlicher Teile verwendet.

Bei der selbsterhaitenden Entladung zur Plasmaerzeugung wird vorgewärmte Luft in den Entladungsraum eingeleitet und durch das Plasma von innen her hindurchgedrückl. F i g. 2 zeigt eine rohrförmige Hohlelektrode 20, die mit einer Spannungsquelle 31 verbunden ist. Eine andere Elektrode 22 ist zur Abgrenzung eines Entladungsraums im Abstand von der Hohlelektrode 20 angeordnet. Ein Ballastwiderstand 30 und eine modulierende Signalquelle 32 vervollständigen den Schaltkreis. Vorerhitzte Luft wird durch die Hnhlelpirtiwi» m;«ri—

Entladungsraum gedrückt. Der heiße Luftstrom erzeugt eine heiSe Wärmehülle rund um das Plasma (Fig. 1), was zu einer Verteilung und Stabilisierung des Plasmas über ein größeres Volumen führt, indem die Dichte in den Außenbereichen des Plasmas gesenkt wird.
In Fig. 3 siEi die Temperaturverläufe in den Bereichen A und B gezeigt. Die Verteilung und Stabilisierung wird also durch ein Medium (Luft) bewirkt, das selbst nicht direkt an der Entladung beteiligt ist. Das Verhältnis von elektrischem Feld zu Druck (E/P) und somit der Ionisationsgrad werden, durch die thermisch induzierte Dichteabnahme in den äußeren Bereichen erhöht; diese führt jedoch nicht zu Instabilitäten bei der Entladung, da die den Effekt hervorrufende zugeführte Wärme außerhalb der Entladung auftritt und nicht mit den Entladungsparametern wechselwirkt.

ίο Die außen erzeugte Wärmehülle beeinflußt die in Fig. 1 gezeigte und in Gleichung (11) auftretende Grenzschicht Δ χ und bestimmt daher die thermische Reiaxationszeitkonstante (A'). Die heiße Luft tritt aus der Hohlelektrode 20 aus und breitet sich divergierend über den elektrisch leitenden Entladungskörper aus, so daß jeder einzelne Bereich durch eine andere thermische Reiaxationszeitkonstante (A") gekennzeichnet ist. Diese räumliche Verteilung unterschiedlicher Werte für die thermische Reiaxationszeitkonstante (A') erweitert den Frequenzgang und kann der idealen Bedingung für einen gleichförmigen Frequenzgang sehr nahekommen, wie er in Gleichung (17) ausgedrückt ist.

Es ist einleuchtend, daß die Luft aus irgendeiner Quelle wie einem Gebläse, Verdichter oder Vorratsbehälter kommen und die Wärme durch jede beliebige Einrichtung erzeugt werden kann. Die im Bereich des Kathodenabfalls erzeugte Wärme kann in Richtung auf die Zufuhrleitung der Luft abgelenkt werden, um an der Grenzfläche die Wärmehülle zu erzeugen.

In F i g. 6 wird die Luft durch den 1²R-Verlust in der aus Metall bestehenden Zufuhrleitung 26 erhitzt, die mit einem Abspanntransformator 27 verbunden ist, welcher einen Strom mit niedriger Spannung und hoher Amperezahl liefert Bei dieser zweiten Ausfuhrungsform weitet sich das Austrittsende der Zufuhrleitung26 trompetenartig nach außen auf, um den erhitzten Luftstrom besser im Entladungsraum zu verteilen. Die Kathode 28 umgibt das trompetenartig aufgebogene Austrittsende und bildet zusammen mit der im Abstand angeordneten Anode 29 den Entladungsraum. Ein Ballastwiderstand 30, eine Spannungsquelle 31 und eine Modulationsquelle 32 für den Ton vervollständigen den Schaltkreis.

Fig. 7 zeigt eine dritte Ausführungsform, bei welcher die Entladung durch die Verwendung einzelner, getrennter stromgeregelter Elektroden verbreitert ist. Eine Vielzahl von Anoden 33 bis 37 ist im Abstand von einer Kathode 43 angeordnet. Die Anoden 33 bis 37 sind mit jeweils eigenen Ballastwiderständen 38 bis 42 verbunden. Diese Anordnung fächert die Entladung auf. Die Regelung wird bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel durch die BaI last widerstände 38-42 bewirkt; ist eine Regelung mit Hilfe elektronischer Vakuumröhren genauso geeignet ist. Die Kathode 43 kann ebenfalls in eine Vielzahl einzelner Segmente aufgeteilt werden. Die restlichen Schaltkreiskomponenten sind die gleichen wie in Fig. 6.

Diese Anordnung hat sich als zweckmäßig bei der Erzeugung besonders geformter Entladungen erwiesen, die räumliche Änderungen in der Dichte y des Entladungsstromes (Gleichung 12) erzeugen, welche wiederum die thermische Reiaxationszeitkonstante (A') beeinflussen. Die Formgebung wird durch die örtliche Anordnung der einzelnen Elektroden, durch ungleiche Ballastwiderstände oder andere Einrichtungen zur Regelung des Stromes, oder eine asymmetrische Anzahl von Kathoden und Anoden bzw. eine Kombination hiervon festgelegt.

Die zur Erzeugung thermischer Gradienten und Dichtegradienten im Grenzbereich des Plasmas zur Umgebungsluft zugeführte thermische Energie muß vom System mit einer solchen Geschwindigkeit abgeführt werden, daß eine für ein im Gleichgewicht stehendes System geeignete Betriebstemperatur gewährleistet ist. Die Wärmeabfuhr wird bevorzugt durch Metallplatten bewirkt, die ohne die Entladung kurzzuschließen über den gesamten Oberflächenbereich mit dem Plasma in Berührung treten können.

Eine laminierte Struktur SO dafür ist in F i g. 8 bis 11 gezeigt. Eine Spannungsquelle 31, ein Ballastwiderstand 30 und eine Quelle 32 für eine Modulationsspannung sind schematisch dargestellt, entsprechen den Ausführungsformen der F ig. 2,6 und 7 und führen die gleichen Funktionen aus. Eine Vielzahl von Metallrohren Sl bis 55 führt erhitzte Luft aus einem Vorratsbehälter 56 heran und dient als eine Reihe seitlich beabstandet nebeneinander angeordneter Hohlkathoden. Eine Anode 22 bildet mit diesen zusammen einen Entladungsraum. Einzelne Ballastwiderstände 57 bis 60' sind jeweils mit entsprechenden Hohlkathoden 51-55 verbunden, wie Fig. 8 schematisch zeigt. Die laminierte Struktur50 bildende einzelne Platten 61 sind durch Isolatoren 62 voneinander isoliert und im rechten Winkel zu der sich zwischen den Elektroden erstreckenden und damit die Ebene des Plasmas 63 bildenden Ebene angeordnet, wie F i g. 9 und 11 zeigen. Die Platten 61 sind, wie bei 64 in F i g. 8 gezeigt, zur Bildung eines Hohlraums für das Plasma ausgeschnitten und in einem gegenseitigen Abstand so angeordnet, daß das Produkt aus dem elektrischen Feld zwischen den einzelnen Platten und deren Abstand die Kathodenabfallspannung für das gewählte Material nicht übersteigt.

Ein typisches Beispiel sind 300 Volt pro Platte. Der Abstand zwischen den Platten 61 kann wie gezeigt gleichförmig sein oder aber sich längs der Entladungsrichtung ändern, um räumliche Änderungen in der Rate Δ χ der

M) Wärmeübertragung zu erzielen (Fig. 1). Dieser Effekt erfüllt die Bedingungen der vorstehenden Gleichungen (17) und (18) zur Erreichung einer gleichförmigen Charakteristik des Frequenzgangs.

Ein Gebläse 65 mit Schaufeln 66, das von einem nicht dargestellten Motor angetrieben wird, drückt Kühlluft in Richtung der in F i g. 8 gezeigten Pfeile in die Zwischenräume zwischen den Platten 61, aus denen die Luft wieder austritt. Auf diese Weise wird Wärme abgeführt, so daß das System auf einer stabilen Temperatur gehalten

6ί wird.

Die Isolatoren 62 erfüllen eine zweifache Wirkung. Sie wirken als Ablenkelemente, um zu verhindern, daß Kühlluft in den Hohlraum für das Plasma gelangt. Darüber hinaus dienen sie als Schallreflektor zur Schallreflexion nach vorne bzw. in Richtung auf den Zuhörer. F.inc Platte 67 aus Isoliermaterial kann am vorderen Ende

bzw. an der dem Zuhörer zugekehrten Seite des Systems angeordnet sein. Eine Öffnung 68 ist in der Platte 67 ausgebildet, um die Schallenergie austreten zu lassen. Begrenzungsplatten 69 und 70 halten die Plattenanordnung in gegenüberliegender Form und tragen isolierende Durchführungen 71 und 72. Dieses ist vorgesehen, um die Elektroden in der gewünschten mechanischen und elektrischen Stellung zueinander zu halten. Die Elektrode 22 kann ein Rohr sein, das mit einem Vorratsbehälter 56 verbunden ist, um heiße Luft in den Entladungsraum zu fühjen.

Ein Verfahren zum Einleiten der Entladung ist erforderlich, da das elektrische Feld, das zum Einleiten der Entladung erforderlich ist, um ein Vielfaches größer ist als das elektrische Feld, das zur Aufrechterhaltung der Ionisation in einer selbsterhaltenden Entladung erforderlich ist. Eine Möglichkeit dazu besteht in einer elektronischen Steuerung. Die wärmeableitende laminierte Struktur SC-aus Metall oder eine Reihe von verteilten Star- ternadeln könnten über große Widerstände an das gesamte Potential über die Entladung angeschlossen werden, so daß das gesamte Potential über die Bodenelektrode und die Metallplatte oder die am nächsten liegende Starternadel fließt (es ist kein IR-Abfall in irgendeinem Widerstand vorhanden), wenn kein Entladungsstrom tließt. Die Entladung schlägt zum nächstgelegenen Punkt durch, wodurch ein Strom durch den zugeordneten Verbindungswidersland fließt Das Potential fallt daher im Durchschlagbereich der Entladung, steigt aber zwischen den nächstem beiden Punkten, wo das Potential als nächstes durchschlägt usw. Die Widerstände könnenp^ß gewählt werden, so daß nach Zündung der gesamten Entladung nur noch sehr wenig Energie von der Entladung in den Anlaßschaltkreis abgezweigt wird.

Die Entladung kann auch durch mechanische Vorrichtungen zum Überschlag gebracht werden. Dazu ist beispielsweise eiine Startemade! über die Entladung fast kurzgeschlossen, wenn keine Energie angelegt ist; die Startemadel wird dabei von einem Hebelarm aus einem thermischen Bimetallstreifen getragen. Wenn die Vorrichtung eingeschaltet wird, ensteht ein Lichtbogen über den verbliebenen schmalen Spalt, und der Strom wird durch ein Heizelement am Bimetallstreifen geleitet Der erhitzte Bimetallstreifen biegt sich daraufhin und hebt die Starternailel langsam aus dem Entladungsbereich ab, wobei die Entladung gebildet wird. Die Startemadel wird außerhalb des Entladungsbereiches gehalten, bis das System abgeschaltet wird und der Bimetallstreifen abkühlt Es gibt viele andere mechanische Möglichkeiten für eine derartige Anordnung, die sich einem Fachmann anbieten.

Der Toneingang des Systems kann eine mit Aufspanntransformatoren für den akustischen Signaleingang verbundene Gleichstromquelle umfassen. Bei dem Schaltkreis wird ein herkömmlicher Ballastwiderstand verwendet.

Ein anderer Schaltkreis für den Toneingang verwendet einen Verstärker der Klasse A mit einer Vakuumröhre, um gleichzeitig einen Hochspannungsschall und eine Stromsteuerung zu erzielen. Dies verdoppelt den elektrischen Wirkungsgrad (Gleichstrom und Schall), da die Ballastwiderstände beseitigt sind und die Röhren für die Schallverstärkung die Funktionen eines Stromreglers übernehmen. Die Verstärker der Klasse A sind wie in der Vergangenheit verwendet unwirksam; hier jedoch wird die normalerweise verlorene Energie verwendet, um die Entladung zu betreiben und nur 5-10% der Energie gehen tatsächlich verloren (beim Plattenverlust der Rohre). Darüber hinaus ist ein Schallumwandler überflüssig. Wandler führen in der Regel zu einer Qualitätsminderung, da dem Leistungsverstärker keine Rückkopplung zur Verfugung steht, um seine Nachteile auszugleichen.

Wenn die Charakteristika des Plasmas maximiert worden sind, um einen möglichst flachen Frequenzgang zu erzielen, kann je nach Wunsch irgendein zusätzlicher Ausgleich durch dem Verstärkerschaltkreis vorgeschaltete elektronische Filter vorgesehen werden. Für jede Elektrode kann eine Ausgangsröhre vorgesehen werden, ohne daß ein zusätzlicher Ballast erforderlich ist. Die Gleichstrom-Regulierung wird mit Hilfe des IR-Abfalls in den Kathodenwiderständen einer jeden Röhre vorgenommen, welche bei erhöhtem Strom das Gitter negativer macht. Der Ausgang einer jeden Röhre kann auf zwei oder mehr Elektrodenkanäle aufgeteilt werden, indem kleine, zusätzliche Gleichstrom-Ballastwiderstände hinzugefugt werden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur breitbandigen Schallerzeugung, bei welchem elektrische Signale an in einem Entladungsraum mit Plasma befindliche Elektroden angelegt werden, wobei Gas in den Entladungsraum eingeleitet wird, dadurch gekenn zeichnet, daß vorerwärmt&Luft in den Entladungsraum eingeleitet und durch das Plasma von innen her hindurchgedrückt wird und' daß der räumliche Wärmefluß zum Plasma derart gesteuert wird, daß bestimmte Wärme- und Dichtegradienten im Grenzbereich des Plasmas mit der unmittelbar umgebenden Luft eingestellt werden, durch welche eine Erweiterung des Frequenzbereichs resultiert, wobei Luft und Plasma bestimmte Eigenschaftswerte aufweisen, die aus den Gleichungen