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Vorrichtung zum Senden und Empfangen von Schallwellen innerhalb eines
großen Frequenzbereichs mit drei oder mehr miteinander gekoppelten Schwingungsgebilden.
In vielen Anwendungsfällen in der technischen Akustik besteht der Wunsch, einen
möglichst großen Frequenzbereich mit irgendeinem fraglichen Apparat zu überdecken,
sei es zum Aussenden oder Empfang von Schallwellen oder zu anderen Zwecken, bei
denen mechanische Schwingungen übertragen werden sollen. Als besondere Beispiele
solcher Anwendungsfälle sind etwa folgende zu betrachten: Es besteht das Bedürfnis,
Unterwasserschallempfänger zur Aufnahme von Geräuschen im Wasser zu bau::#ii. Während
es bekannt ist, für die Aufuahme in einem schmalen Tonbereich sogenannte Tonempfänger
oder Signalempfänger zu bauen, so sind wirklich befriedigende Lösungen für Geräuschempfänger
nicht vorhanden, d. h. solche Empfänger, die eine gute Empfindlichkeit und auch
sonst gute Eigenschaften nicht nur zur Aufnahme in einem schmalen Tonbereich von
etwa ro Prozent oder 2o Prozent Schwingungen besitzen, sondern einen viel größeren
Frequenzbereich, z. B. den einer Oktave (5oo bis r ooo Schwingungen) haben sollen.
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Ein anderes Beispiel ist das Telephon, welches solche Geräusche aufnehrnen
soll. Es sind -zwar sogenannte 1lonotelephone oder Tontelephone mit recht guten
Eigenschaften bekannt, aber auch für diese ist der Tonbereich im allgemeinen nur
20 bis 30 Prozent, also etwa von goo bis r2oo Perioden. Um aber Geräusche,
wie sie reit den obenerwähnten Unterwasserschallempfängern aufgenornmen werden sollen,
mit dem Telephon zu empfangen, sind diese Tontelephone naturgemäß wegen ihres zu
engen Frequenzbereichs nicht befriedigend. Auch für diese ist notwendig, einen großen
Frequenzbereich möglich zu machen, also z. B. auch für eine Oktave. Darüber hinaus
wäre es natürlich wünschenswert, noch größere Frequenzbereiche mit solchen
Telephonen
guter Eigenschaften (definierter Wirkungsgrad bei definiertem Frequenzbereich) zu
erhalten, weil man diese dann auch für Sprechzwecke verwenden könnte, für die bekanntlich
ein Bereich von vielen Oktaven, wenn möglich von mehr als ffinf Oktaven, erforderlich
ist.
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Ganz ähnlich liegt es auf dem Gebiete der Lautsprecher. Auch hier
ist es in letzter Zeit in Gier Entwicklung der technischen Akustik miiglich geworden,
sogenannte Luftschallsender finit gtiteni Wirkungsgrad und definiertem Tonbereich
zu bauen, aber wiederum nur für einen verhältnismäßig beschränkten Tonbereich von
etwa 30 bis 50 Prozent einer mittleren Resonanzfrequenz. Es ist vorge-=chlagen
worden, eine Anzahl solcher guten und definierten Lautsprecher derart miteinander
zu komLinieren, daß sie alle verschiedenen Frequenzbereiche überdecken, d. h. mit
ihren Frequenzbereichen so aneinandergereiht sind, daß sie zusammen das gewünschte
Sprachgebiet überdecken. Da das Sprachge-Liet aus vielen Oktaven (fünf bis sechs
zum mindesten) besteht, würde also eine große Anzahl solcher einzelnen Lautsprecher
notwenclig sein, um die Forderung des guten und definierten @`'irkungsgrades innerhalb
des Frequenzgebietes der Sprache für eine Lautsprecheranordnung zu erfüllen. Tndes
ist es erwünscht, mit möglichst wenig solchen Gliedern, möglichst mit einem Lautsprecher,
auszukommen, der einen möglichst großen Frequenzbereich (mehrere Oktaven) überdeckt.
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Für die hier beispielsweise aufgeführten drei an sich ganz verschiedenen
Gegenstände liegt also (las Problem vor, bei möglichst guten und definierten Eigenschaften
(besonders in bezug auf den Wirkungsgrad) Lnterwasserschallernpfänger für Geräuschempfang,
Telephone für Geräusch- od--r S#)rachenipfang und Lautsprecher für Wiedergabe von
Sprache und Musik zu schaffen. Außerdem gibt es in der Technik natürlich noch in
anderen Fällen ganz ähnliche Bedürfnisse.
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Die Erfindung geht aus von der bekannten Maßnahme, mehrere Schwingungsgebilde
(drei oder mehr) miteinander zu koppeln. Sie besteht darin. daß Dä mpfungs- und
Kopplungsgrad dieser Gebilde derartig initeinandcr abgeglichen werden, daß einmal
die Kopplungsresonanzen sich gleichmäßig über den zu überdeckenden Frequenzbereich
verteilen und daß außerdem die aufgenommene bzw. abgegebene Energie an keiner Steljp
der Kopplungsresonanzkurve unter einen wesentlichen Teilbetrag (etwa 1/2) der Maximalenergie
herabsinkt. Die gleichmäßige Verteilung der Kopplungsresonanzen wird gemäß der Erfindung
zweckmäßig dadurch erreicht, (iaß man lauter im wesentlichen gleichgestimmte Gebilde
miteinander koppelt. Die Kopplung wird hierbei so vorgenommen, daß immer ein Gebilde
der Ordnungszahl n nur <nit einem Gebilde der Ordnungszahl n-i nach der einen
Seite hin und einem Gebilde der Ordnungszahl n i nach der anderen Seite hin gekoppelt
ist. Anfangs- und Endgebilde wirken natürlich mit dem Medium bzw. dem Energieumformer
zusammen.
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Zur Erklärung der Erfindung seien folgende Überlegungen bzw. theoretischen
Erörterungen gegeben.
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Wenn inan mehrere schwingungsfähige Gebilde miteinander koppelt und
eine gute Energieübertragung von einen Gebilde zum andern haben will, so muß man
hierbei bestimmte Verhältnisse berücksichtigen, insbesondere hinsichtlich der Dämpfung
und der Kopplung. Bei solchen gekoppelten Schwingungsgebilden, bei denen Energie
von irgendeinem ersten Gebilde durch ein oder mehrere andere zum letzten durchwandert,
entsteht nun eine mehrwellige Resonanzkurve. Will man den Effekt dieser Gebilde
befriedigend machen, so imiß man die einzelnen Schwingungsgebilde alle untereinander
auf eine gemeinsaine Grundfrequenz abstimmen. Die Resonan7kur v e der gekoppelten
Schwingungsgebilde zeigt dann mehrere Maxima, welche um einen Betrag auseinanderiiegen,
der durch den Kopplungsgrad gegeben ist. Breite Resonanzkurven ergeben sich also
bei großen Kopplungsgraden, und da für jedes Schwingungsgebilde ein Maximum sich
ausprägt, so reihen sich beim Vorhandensein vieler Schwingungsgebilde Maxima an
:Maxima, wodurch die Resonanzkurve immer breiter wird. Es zeigt nun die Theorie,
daß bei einer gegebenen Grundfrequenz der Gebilde nach oben die Resonanzmaxima der
gekoppelten Schwingungen nur bis etwa auf (las Anderthalbfache hinaufrücken können,
während nach unten die Kopplungsmaxima bis zur kleinstmöglichen Frequenz sich ergeben
können. Aus der Betrachtung solcher möglichen Resonanzkurven ergeben sich nun für
die Praxis an Hand des gegebenen Zwecks jeweils die Gesichtspunkte zur Auswahl der
Art des gekoppelten Gebildes für den gewollten Zweck. Erfindungsgemäß wird hierbei
die Zahl der Schwingungsgebilde und die Wahl ihres gegenseitigen Kopplungsgrades
unter Berücksichtigung der möglichen Dämpfung so getroffen, daß der fragliche Frequenzbereich
dadurch überdeckt wird. Hierzu wird bemerkt, daß natürlich je kleiner die Dämpfungen
sind, desto loser die Kopplungen sein müssen, damit nicht in der Resonanzkurve die
aufgenommene Energie zu weit herabfällt, d. h. also, claß in einem solchen Falle
eine größere Zahl von Gebilden miteinander gekoppelt
werden muß
für den gleichen Frequenzhereich als in einem Falle, wo inan größere Dämpfung, sei
es Strahlungsdämpfung, \ utzdämpfting oder schädliche Dämpfung, verwenden kann.
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In den meisten Fällen ist außer der ge-,tviinschten breiten Resonanzkurve
noch gegeben einerseits das Ausgangsschwingungsgel:ilde - «-elches beispielsweise
beim Unterwasserschallempfänger die an das Wasser angrenzende und die Energie aus
dem Wasser aufnehmende Schallmembran darstellt - und andererseits das Endgebilde
- «-elches beispielsweise beim Unterwasserschallempfänger den eigentlichen Detektor
(:@lil;roplion, 1Iagmetempfänger o. dgl.) darstellt-. Für diese Teile sind nun infolge
der von ihnen erforderten Eigenschaften ganz bestimmte Schwingungscliniensionen,
insbesondere ihre i@Iasse und ihre Elastizität, festgelegt. So ist z. B. für einen
Unterwasserschalletnpfänger mit größerer Strahlungsdämpfung immer eine bestimmte
größere Ausdehnung der i\Ieinbran gegeben, womit auch große Masse bei großer Elastizität
sich von selbst herausstellt, während für die Detektoren, insbesondere beispielsweise
für (las normale Kohlepulvermikrophon, die Masse bekanntlich kleiner ist als die
einer Schallmembran. Es besteht nun die Schwierigkeit, zwei solche Schwingungsgebilde
ganz verschiedener Masse (vor allen Dingen bei der für solche Fälle üblichen und
praktischen Massenkopplung) für den gewollten Zweck der breiten Resonanzkurve möglichst
fest zu koppeln. Die Erfindung gibt hierfür,den Weg an, wie man trotz der Verschiedenartigkeit
der beiden Gebilde, des Ausgangs- und des Endgebildes, hinsichtlich ,lasse und Elastizität
trotzdem zu festen Kopplungen kommen kann, indem nämlich unter langsamem Schritt
jedesinaliger Vergrößerung bzw. Verkleinerung des Massenverhältnisses des einen
Gebildes zum andern eine genügende Anzahl von Schwingungsgebilden zwischen das Ausgangsgebilde
und (las Endgebilde eingeschaltet wird. Ist z. B. das 'Massenverhältnis des Ausgangs-
und Endgebildes i : ioo (dann ergeben sich nach der Theorie bei Massenkopplung maximal
i o Prozent Kopplung), so kann man durch die Einschaltung von zwei Schwingungsgebilden
Cbersetzungen der Masse von jedem Schwingungsgebilde zum nächsten auf etwa i : 5
herunterdrücken. Hierdurch wird die Kopplung aber von io Prozent im vorherigen Falle
auf etwa .I5 Prozent erhöht, wodurch einmal die Resonanzkurve schon stark verbreitert
wird. Eine weitere Verbreiterung der Resonanzkurve ergibt sich dadurch, daß sich
an Stelle von zwei finit io Prozent Abstand nunmehr vier Maxima mit etwa .4o Prozent
Abstand aneinanderreilien. Es «-erden also mit den Mitteln der vorliegenden Erfiudung,
nämlich der Einschaltung mehrerer geeignet gekoppelter Schwingungsgebilde, in diesem
Falle nicht nur eine breite Resonanzkurve, sondern auch sowohl für das Ausgangsglied
@Schallinembran, große Strahlungsdämpfung) wie auch für das Endglied (.Mikrophon
mit guter Empfindlichkeit, d. h. mit kleiner :Masse) die für die gegebenen Verhältnisse
ebenfalls besten Eigenschaften erreicht.
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Auf der Zeichnung sind einige zweckmäßige Ausführungsbeispiele dargestellt,
die den Gegenstand der Erfindung verwirklichen.
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In Abb. i ist im Schema z. B. ein Unterwasserschallempfänger dargestellt,
dessen Anfangs- und Endglieder eine Schallmembran a bzw. ein Detektor b (Mikrophon,
Magnetempfänger o. dgl.) sind. Es besteht die Aufgabe, Membran und Detektor so fest
miteinander zu koppeln, daß ein breiter Frequenzbereich erreicht wird. Zu dieseln
Zwecke sind nach der Erfindung Schallmembran und Detektor über weitere, im Beispiel
zwei, zwischengeschaltete Schwingungsgebilde c und d miteinander gekoppelt, wobei
unter langsamem Schritt jedesmaliger kleinerung des Massenverhältnisses des einen
zum anderen Gebilde die Kopplung zwischen dem Ausgangs- und Endgebilde auf die gewünschte
Höhe gebracht wird.
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In Abb. 2 ist ein Telephon zur Aufnahme von Geräuschen dargestellt,
dessen elektrische und akustische Bedingungen durch den gewünschten guten Wirkungsgrad
festgelegt sind. Es besteht also hier die Aufgabe, dieses Telephon mit gutem Wirkungsgrad
mit dein Ohrkanal des menschlichen Kopfes, der in akustischer Beziehung eine festgegebene
Größe darstellt, so zu koppeln, daß die durch die Erfindung erstrebte breite Resonanzkurve
entsteht. Es «-erden daher gemäß der Erfindung zwischen Telephoninembran und
Öff-
nung mehrere Tonräume (in der Abb. 2 zwei) als gekoppelte Schwingungsgebilde
dazwischengeschaltet - der eine Tonraum wird von fi, f, der ändere von f,
f, gebildet-, die das Massenverhältnis der in dem mit punktierten Linien angedeuteten
Ohrkanal g schwingenden Luftmasse und der Telephonmenibran e allmählich steigern.
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Ein ähnliches Beispiel zeigt die Abb. 3, bei der das mechanische Schwingungssystem
Ir eines Lautsprechers mit dem schallstrahlenden Trichter i über die Tonräume
f, f1, f" 121 f=, fa usw. verbunden ist, wobei die Tonräume und ihre Verbindungsöffnungen
gegenseitig so bemessen sind, daß eine ganz allmähliche Steigerung des 'Massenverhältnisses
von Gehilde zu Gebilde (1 :2) besteht mit einer Kopplung -zwischen den einzelnen
Gebilden,
die so fest ist, daß die hbertragung der Energie vom Anfangs-
zum Endgebilde ohne merkbaren Verlust geschieht.
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Im vorliegenden Falle (Sprachbereich) handelt es sich zwischen den
einzelnen Gebilden um eine sehr feste Kopplung und um eine sehr langsame Steigerung
des Massenverhältnisses. Hierbei kann es zwischen dem ersten Glied fn (1Menil)ran
+ Anker) und einem Tonrahm unter Umständen nicht gelingen, die Kopplung so fest
- wie für alle Glieder gleichmäßig nötig ist - zu machen. In solchen Fällen wird
erfindungsgemäß die Energie von dem ersten Glied ('Membran -)- Anker) zunächst auf
eine Membran rr ohne Anker (geringe Masse) übertragen und von dieser erst auf den
ersten Tonraum, wodurch die feste Kopplung ermöglicht wird.
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Die Erfindung ist natürlich auf die dargestellten Ausführungsbeispiele
nicht zu beschränken. Sie ist vielmehr überall dort anwendbar, wo zwei bestimmte
Schwingungsgebilde miteinander in Wirkung gebrachtwerden sollen bei einem bestimmten,
mehr oder weniger breiten Frequenzbereich. Ist der Frequenzbereich sehr breit, geht
er z. B. von einer bestimmten höchsten Frequenz bis weit in die tiefsten herab,
wie dies bei der mensch lichenSpraehe oder bei der Musik vorliegt, so ergibt sich
nach der Erfindung eine große Anzahl möglichst fest gekoppelter Schwingungsgebilde,
die zwischen die Endglieder einzuschalten sind. Je fester es gelingt, sie miteinander
zu koppeln, desto besser wird die Forderung der breiten Resonanzkurve bei möglichst
wenig Gliedern erfüllt. Das Endziel kann man sich etwa so vorstellen, wie es sieh
aus den bekannten elektrischen Ketten ergibt, bei denen Selbstinduktion in die Leitung
und Kondensatoren in Brücke zur Leitung eingeschaltet sind. Eine solche Kette hat
bekanntlich die Eigenschaft, alle Frequenzen von Null bis zu einer 'Zaxiinalfreqtienz
durchzulassen. Das nach der Erfindung gebaute, aus vielen einzelnen abgestimmten
Gebilden zusammengesetzte gekoppelte Schwingtingssvstem erreicht im Grenzfalle dieselbe
Resonanzkurve, d. h. es ergibt eine Resonanzkurve, die eine gute Empfindlichkeit
von den tiefstgewählten Frequenzen bis zu einer gewissen 'Maximalfrequenz erreicht.