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Als Schwingungsgebilde von bestimmter Eigenfrequenz ausgebildeter
Apparat zur Umformung von mechanischen Bewegungen in elektrische Stromschwankungen.
Die Erfindung betrifft Einrichtungen, bei denen die veränderliche Leitfähigkeit
eines Stoffes oder einer Stoffmischung unter dem Einfluß wechselnder mechanischer
Kräfte dazu benutzt wird, entsprechend wechselnde elektrische Ströme zu erzeugen.
Der bekannteste Apparat dieser Gruppe ist das Mikrophon. Im engeren Sinne beschäftigt
sich die Erfindung mit solchen Apparaten dieser Gruppe, die ihrem mechanischen Aufbau
nach als Schwingungsgebilde von bestimmter Eigenfrequenz anzusprechen sind, also,
um wiederum ein Beispiel zu geben, mit abgestimmten Mikrophonen.
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Es ist ein seit langem bekannter und äußerst lästig empfundener L`belstand
solcher Apparate, daß sie ihre bei der Herstellung festgelegte Eigenabstimmung irn
Betriebe nicht dauernd beibehalten, sondern meist recht erheblich ändern, und zwar
scheinbar ohne jede Gesetzmäßigkeit.
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Die Erfindung hat die Aufgabe zu lösen, diese Veränderlichkeit zu
verringern oder ganz zu beseitigen. Sie beruht auf folgender Erkenntnis Ein Schwingungs-ebilde
dieser Art besitzt Masse !'1l und elastische Kraft E, deren Größe die Eigenfrequenz
bestimmt. Beide sind -e-"eben durch die Bemessung der Konstruktionsteile des Apparates.
Hinsichtlich der Massen ergeben sich hierbei keine Schwierikeifen. wohl aber hinsichtlich
der elastischen Kraft E, weil diese sich aus einer unveränderlichen und einer veränderlichen
Komponente zusammensetzt. Die veränderliche Komponente ist die elastische Kraft
E, die dem als Träger des veränderlichen Widerstandes dienenden Material innewohnt.
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Sehr leicht verständlich wird diese Tatsache, wenn man wiederum das
Mikrophon als Beispiel heranzieht, und zwar besonders das Körnermikrophon. Träger
der elastischen Kraft E" ist die Körnerfüllung. Sie ist in stärkstem Maße davon
abhängig, wie lose oder wie fest die Körnerfüllung zusammengeschüttet oder gar gesintert
ist. Da sich der Zustand dieser Füllung fortgesetzt ändert, ändert sich auch fortgesetzt
die Komponente F9, und zwar in einer Art und Weise, daß Richtungssinn und Größe
in keiner Weise willkürlich beeinflußt werden kann.
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Bildet nun E, einen wesentlichen oder gar den Hauptbestandteil der
elastischen Gesamtkraft E des Schwingungssystems, so ist dessen Eigenfrequenz
entsprechend außerordentlich heftigen Schwankungen ausgesetzt.
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Die Erfindung besteht darin, das den Apparat bildende Schwingungssystem
so auszugestalten, daß die in der veränderlichen Substanz, z. B. also in der Mikrophonfüllung,
lie-<ende elastische Kraft klein ist gegenüber der gesamten elasti#clieii Kraft
des Systems, also E, F.
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Die Bedeutung dieses Gedankens möge an Hand eines Beispiels erläutert
werden. Es sei die Aufgabe gestellt, ein Schwingungsmikrophon von fester Eigenfrequenz
für eine bestimmte zulässige Höchststromstärke zu bauen.
Gegeben
ist durch die Höchststromstärke Querschnitt und Höhe des Füllungsraumes Ih bei gegebener
Art des Füllungsmaterials, z. B. Kohlepulver von bestimmter Korngröße. Es ergibt
sich dann ein bestimmtes Pulverquantum g, dessen elastische Kraft E" (rechnerisch
oder experimentell) ohne weiteres bestimmt werden kann. Gegeben sei ferner die Eigenfrequenz
n, welche das Mikrophon besitzen soll, und die zulässige Abweichung r von dieser
Eigenfrequenz. in Prozenten derselben.
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Aus der Erfahrung weiß man die üblichen Schwankungen der elastischen
Kraft der Füllung, die im übrigen auch leicht unter ähnlichen Bedingungen, wie sie
für das Mikrophon in normalem Betriebe auftreten, experimentell ermittelt werden
können.
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Für die Eigenschwingung n des Mikrophons gilt dann die Gleichung
worin k eine Konstante ist, die hier nicht interessiert, E die gesamte elastische
Kraft und ell die Masse des Schwingungssystems.
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E in dieser Gleichung zerfällt in die Summanden E, und E,,, worin
E,. der konstante Teil der elastischen Kraft des System" ist. Es ist also
Die zulässige Abweichung von der Eigenfrequenz sei :h r # n. Die übliche Schwankung
der elastischen Kraft der Füllung habe sich ergeben zu =v- p # E, Hieraus folgt
an Stelle der obigen Schwingungsgleichung z folgende Gleichung
aus der im Verein mit Gleichung i die Werte von #-,#."- und M zu errechnen sind,
die für I die gegebene Schwingungszahl n mindestens vorhanden sein müssen. Es ergibt
sich nämlich annäherungsweise aus z
und
Danach kann also für gegebenes p, r, n
und En der Konstrukteur die
Dimensionen seiner Mikrophonmembran und der schwingenden Masse des Mikrophons berechnen.
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Bei Mikrophonen (vgl. Abbildung), die in Verbindung mit anderen Schwingungsgebilden
(Membran i o. dgl.) wirken und die aus zwei getrennten Massenteilen 3, ,4 und einem
diese Massen verbindenden elastischen Gliede (Membran z) bestehen, berechnet man,
besonders wenn die Masse 3 groß gegen q. ist, einfacher die sogenannte freie Masse
4. anstatt die Gesamtmasse. Besonders trifft das zu auf Mikrophone von Unterwasserschallempfängern,
bei denen die Masse 3 relativ groß ist, weil sie sich aus dem Mikrophonteil an der
Membran i, einem großen Teil der Membran i selbst und einem erheblichen mitschwingenden
Wasservolumen zusammensetzt.
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B ef rie dig ,ende Resultate hinsichtlich der Konstanz solcher Mikrophone
ergeben sich, wenn die Konstante h elastische Irraft E, wenigstens das Vierfache
der veränderlichen elastischen Kraft E", d. h. wenn letztere etwa ein Fünftel der
gesamten elastischen Kraft E des durch das Mikrophon gebildeten Schwingungsgebildes
ist.
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Für die üblichen Stromstärken, also für die üblichen Körnerfüllungen
solcher Mikrophone. und die im Untenvasserschallsignal,-wesen verwendete Frequenz
von etwa iooo Schwingungen pro Sekunde ergibt sich für die freie Masse eine Größe
von etwa 4.-1 oder mehr, bei einer günstigen Kopplung des Mikrophons mit dem Strahler
(bei einer Kopplung von etwa io Prozent).
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Die Erfindung ist auf Mikrophone jeder Art und überhaupt auf abgestimmte
Detektoren ganz allgemein anwendbar, bei denen der veränderliche Widerstand gleichzeitig
einen, veränderlichen Teil der elastischen Kraft des Systems bildet.