DE4329991B4 - Kopfhörer mit elektrostatischem Gegentaktwandler - Google Patents

Abstract

Kopfhörer (10, 10') mit wenigstens einer Kopfhörerkapsel (11, 11'), die einen elektrostatischen Gegentaktwandler beinhaltet, wobei der Gegentaktwandler umfasst
– eine durch eine angelegte Polarisationsspannung elektrisch aufladbare Membran (12),
– ferner zwei von hochverstärkten Signalspannungen (u_H) beaufschlagbare Gegenelektroden (13, 14), zwischen denen die Membran (12) schwingungsfähig gelagert ist,
– und schließlich Zuleitungen (16, 17, 18) für die Polarisationsspannung und für die hochverstärkten Signalspannungen (u_H)
und mit einem durch eine Stromversorgung (24) betriebenen Hochspannungsverstärker (26, 26') für die an den beiden Gegenelektroden (13, 14) wirksam werdenden hochverstärkten Signalspannungen (u_H),
dadurch gekennzeichnet,
dass der Hochspannungsverstärker (26) in den Kopfhörer (10) integriert ist
und dass die mit der Kopfhörerkapsel (11) verbundenen Leitungen sowohl aus Zuleitungen (31, 32) für die noch unverstärkten Signalspannungen (u_S) als auch aus Zuleitungen (33, 34) für die Stromversorgung (u_V) des Hochspannungsverstärkers (26) bestehen.

Description

• Die Erfindung richtet sich auf einen Kopfhörer der im Oberbegriff des Anspruches 1 angegebenen Art. Bei elektrostatischen Kopfhörern unterscheidet man grundsätzlich zwei Bautypen. Bei der einen Bautype ist eine elektrische Konstantladung in die Membran eingebracht. Diese Konstantladung kann durch Verwendung eines Ferroelektrikums oder eines Elektrets im Bereich der Membran erzeugt werden.
• Die andere Bautype elektrostatischer Wandler besteht darin, die statische Ladung einer metallisch beschichteten Membran durch eine Polarisationsspannung zu erzeugen. Die Erfindung nimmt vor allem auf diese Bautype Bezug. Der Vorteil dieser Bautype liegt in der weitgehend freien Auswahl des Membranmaterials. Dies wirkt sich in der Praxis so aus, dass man die Membranen von Wandlern dieser Art wesentlich dünner als diejenigen der vorgenannten ersten Bautype ausbilden kann.
• Bei elektrostatischen Gegentaktwandlern ist es erforderlich, die beiden Gegenelektroden, welche die Membran schließen, mit einer hochverstärkten Signalspannung zu beaufschlagen. Bei einem bekannten Kopfhörer der im Oberbegriff von Anspruch 1 genannten Art ( US 3,562,429 ) wird der Gegentaktwandler von einem Hochspannungsverstärker angesteuert. Hinweise darauf, diesen Hochspannungsverstärker in eine Kopfhörerkapsel zu integrieren sind daraus nicht entnehmbar.
• Es ist bei einem Kopfhörer anderer Art ( US 3,632,903 ) bekannt, das zur Ansteuerung der Elektroden erforderliche Hochspannungssignal mittels eines Übertragers aus dem Niederspannungssignal zu erzeugen. Übertrager sind nachteilig, weshalb man, vor allem bei höherwertigen Wandlern, zu Hochvoltverstärkern greift.
• Die bekannten Hochvoltverstärker haben große Dimensionen und sind kostenaufwendig. Zur Stromversorgung der Hochspannungsverstärker genügt eine Spannung unter 20 V. Die ursprünglichen Signalspannungen, die in der Größenordnung von 1 V liegen, müssen aber von den Hochspannungsverstärkern auf Hochspannungen in der Größenordnung von 1000 V gebracht werden, bevor sie über entsprechende Zuleitungen zu den beiden Gegenelektroden im Kopfhörer gebracht werden. Dazu sind extreme sicherheitstechnische Anforderungen an das Gehäuse des Verstärkers zu stellen, aber auch für die Steckverbindung zwischen der Zuleitung und dem Verstärkergerät und für den Aufbau der Zuleitung selbst erforderlich. So müssen z.B. im Stecker ausreichend große Abstände zwischen allen spannungsführenden Elementen eingehalten werden, um Spannungsüberschläge und ein Fließen von Kriechströmen zu verhindern. Gegenüber Zuleitungen anderer Kopfhörer müssen die Zuleitungen für die hochverstärkte Signalspannung besonders reißfest und mit einer doppelten Isolation versehen sein, wozu noch weitere sicherheitstechnische Vorschriften hinzutreten. Die doppelte Isolation der Zuleitungen benachteiligt die gewünschte Flexibilität der Leitungen. Das reißfeste Material in den Zuleitungen verringert die innere Dämpfung, was ungünstig ist, weil dann ein Körperschall leichter zu den Kopfhörerkapseln gelangen kann. Besonders schwerwiegend ist aber bei den bekannten elektrostatischen Wandlern die anfallende Leistungskapazität. Wie nachfolgend anhand der Beschreibung näher erläutert werden soll, wird bei den bekannten Wandlern dieser Art ein Großteil der vom Verstärkergerät in die Zuleitung eingespeisten Leistung in den Zuleitungen verbraucht und nur ein kleiner Teil davon gelangt tatsächlich zu den beiden Gegenelektroden, um dort zur Schallwandlung genutzt zu werden.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die einander scheinbar widersprechenden Forderungen nach sparsamem Betrieb derartiger elektrostatischer Wandler einerseits und den gestellten sicherheitstechnischen Anforderungen an die Zuleitung andererseits miteinander in Einklang zu bringen. Die Erfindung löst dieses Problem durch die im Kennzeichen des Anspruches 1 angegebenen Maßnahmen, denen folgende, in der nachfolgenden Beschreibung näher erläuterte Bedeutung zukommt.
• Die Erfindung schlägt zunächst vor, den Hochspannungsverstärker im Bereich des Kopfhörers selbst zu integrieren, wodurch die Zuleitungen nicht mehr hochverstärkte Signalspannungen zu übertragen brauchen. In die Zuleitungen werden bei der Erfindung vielmehr die unverstärkten, sehr niedrigen Signalspannungen eingespeist. Abgesehen davon, dass ein externes Gerät eingespart wird, fallen auch die extremen Sicherheitsvorschriften für die Hochspannung weg, die bisher in den Zuleitungen und in den Buchsen beachtet werden mussten. Bei den zu übertragenden geringen Spannungen spielt die Reißfestig keit der Zuleitungen keine Rolle. Die Zuleitungen werden ideal flexibel und vor allem ist die Kapazität der Zuleitungen vernachlässigbar klein.
• Die Vorteile und weiteren Maßnahmen der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung und den Zeichnungen. In den Zeichnungen ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung sowie ein Gegentaktwandler nach dem Stand der Technik dargestellt. Es zeigen:
• 1a ein Blockschaltbild einer bei der Erfindung verwendeten Kopfhörerkapsel,
• 1b schematisch, in einer detaillierteren Darstellung, das Schaltprinzip und den Aufbau der erfindungsgemäßen Kopfhörerkapsel,
• 2 einen Längsschnitt durch eine gemäß der Erfindung gestaltete Kopfhörerkapsel,
• 3 eine Draufsicht auf die Kopfhörerkapsel von 2, nachdem ein äußeres Abdeckgitter der Kapsel entfernt worden ist,
• 4a in einer der 1a entsprechenden Darstellung das Blockschaltbild eines elektrostatischen Wandlers nach dem Stand der Technik und
• 4b in einer der 1b entsprechenden Darstellung, schematisch die Schaltung des bekannten Schalters anhand einer Kopfhörerkapsel.
• Der Aufbau eines bekannten elektrostatischen Gegentaktwandlers ist aus den 4a und 4b ersichtlich. Der bekannte Kopfhörer 10' umfaßt ein nachfolgend kurz als "Kapsel" bezeichnetes Gehäuse 11', in welchem eine metallbeschichtete Membran 12 schwingungsfähig zwischen zwei Gegenelektroden 13, 14 angeordnet ist. An die Kapsel 11' ist ein Kabel 15 angeschlossen, welches mehrere Leitungen 16 bis 18 beinhaltet, von denen die eine Leitung 16 die erforderliche Polarisationsspannung der Membran 12 zuführt. Die beiden anderen Leitungen 17, 18 leiten eine hochverstärkte Signalspannung u_H zu den beiden kapselseitigen Gegenelektroden 13, 14. Diese hochverstärkte Signalspannung u_H wird in einem externen Verstärker gerät 20 generiert.
• Dieses Verstärkergerät 20 umfaßt ein in 4b strichpunktiert dargestelltes Gerätegehäuse 21, das Eingänge 22 für den Anschluß einer die unverstärkten Signalspannungen u_S zuführenden Eingangsleitung 23 hat. Diese Signalspannungen u_S liegen, wie bereits erwähnt wurde, in der Größenordnung von 1 V. Das Gerätegehäuse 21 besitzt aber noch weitere Eingänge 25 für eine Versorgungsleitung 24, welche eine Betriebsspannung u_V dem Hochspannungsverstärker 26' zuführt, der sich bei dem bekannten Kopfhörer 10' im Inneren des Gerätegehäuses 21 befindet. Unter Berücksichtigung der Innenwiderstände 27' münden die geräteinternen Leitungen schließlich in Ausgängen 28, an welche, über Buchsen 19 die diversen Zuleitungen 16 bis 18 des bekannten Kabels 15 angeschlossen sind. Die Polarisationsspannung für die Membran 12 wird geräteintern ebenfalls aus der Betriebsspannung u_V generiert, was durch die in 4b eingezeichnete Spannungsquelle 29 veranschaulicht ist. Dazu gehört ein hochohmiger Schutzwiderstand 45, der in der Größenordnung von 10 M Ω liegt.
• Bei dem bekannten Kopfhörer 10' fallen also an den Buchsen 19 und zwischen den Leitungen 17 bis 18 außer der Polarisationsspannung für die Membran 12 hochverstärkte Signalspannungen u_H an, die sich in einer entsprechend hohen Leitungskapazität C_L des Kabels 15 äußern. Der elektrostatische Wandler im Kopfhörer 10' läßt sich idealerweise als Kondensator ansehen, dem eine Kapazität C_W zuzusprechen ist. Diese Kapazitäten C_L und C_W sind parallel geschaltet, wobei deren Gesamtkapazität sich durch einfache Addition nach der Gleichung (1) ergibt: Cges – CL + CW (1)
• Aus den gegebenen Daten ist erkennbar, daß zwischen diesen Leitungskapazitäten die folgende Beziehung besteht: CL > 2·CW (2)
• Wegen der Beziehung (2) geht ein Großteil der einzuspeisenden Last durch die Zuleitungen 16 bis 18 des Kabels 15 verloren und nur ein entsprechend kleiner Rest des durch den Verstärker eingespeisten Stroms gelangt ins Innere der Kapsel 11', um dort zur Schallwandlung genutzt zu werden. Diese ungünstigen Verhältnisse vermeidet die Erfindung aus folgendem Grund.
• Die 1a und 1b verdeutlichen, in entsprechender Weise wie die vorbehandelten 4a und 4b die beim Kopfhörer 10 gemäß der Erfindung sich ergebenden besonderen Verhältnisse. Zur Bezeichnung gleicher Bauteile sind die gleichen Bezugszeichen wie beim in 4a und 4b beschriebenen Stand der Technik verwendet. Entsprechende, bei der Erfindung aber abgewandelt gestaltete Bauteile sind zahlenmäßig zwar mit dem gleichen Bezugszeichen versehen, aber zur Unterscheidung gegenüber dem Stand der Technik mit einem Strich (') versehen. Sofern nachfolgend nichts Besonderes gesagt ist, gelten auch für den erfindungsgemäßen Kopfhörer 10 die vorausgehenden Erläuterungen.
• Ein wesentlicher Unterschied gegenüber dem Stand der Technik besteht beim erfindungsgemäßen Kopfhörer 10 darin, daß die Kopfhörer-Kapsel 11 selbst, außer den zum eigentlichen Wandler gehörenden Bauteilen 12, 13, 14, auch noch die erforderlichen Hochspannungsverstärker 26 mit ihren Innenwiderständen 27 beinhaltet zusammen mit der Spannungsquelle 29 und ihrem hochohmigen Schutzwiderstand 45 zum Erzeugen der Polarisationsspannung der Membran 12. Die jetzt an die Kapsel 11 des Kopfhörers 10 angeschlossenen Zuleitungen 31 bis 34 haben, im Vergleich mit dem Stand der Technik, nicht nur einen anderen Aufbau, sondern auch eine neue Funktion. Sie können, wie in 1b und den weiteren, noch näher zu erläuternden 2 und 3 zu entnehmen ist, zu einem gemeinsamen Kombinationskabel 30 vereinigt werden.
• Die Eingangsleitungen 23 geben das niederfrequente Signal u_S über einfache Steckverbindungen 35 direkt an die Zuleitungen 31, 32 des Kombinationskabels 30 ab, so daß auch dort nur kleine Signalspannungen u_S in der Größenordnung von 1 V anfallen. Die Zuleitungen 31, 32 können also direkt an einen CD, einen DAT, einen Cassettenrecorder od. dgl. angeschlossen sein. Dadurch entfallen die bisher im Stand der Technik erforderlichen hohen sicherheitstechnischen Anforderungen sowohl an die Steckverbindungen 35 als auch an die Zuleitungen 31, 32.
• Zwei weitere Zuleitungen 33, 34 im Kombinationskabel 30 sind dazu bestimmt, die in der Kapsel 11 des Kopfhörers 10 integrierten Hochspannungsverstärker 26 mit der erforderlichen Betriebsspannung u_V zu versorgen. Dazu kann man sich einer Niederspannungsquelle bedienen in Form eines Steckernetzteils. Die Betriebsspannung u_V liegt in jedem Fall unter 20 V, weshalb es sich auch in diesem Fall nicht um berührungsgefährliche Spannungen handelt. Auch hier brauchen keine besonderen sicherheitstechnischen Anforderungen beachtet zu werden. Die Stromversorgungs-Zuleitungen 33, 34 für den integrierten Verstärker 26 haben daher ebenfalls einen sehr einfachen Aufbau, was ebenso für die aus 1b ersichtlichen Steckverbindungen 36 zwischen diesen Zuleitungen 33, 34 und der Versorgungsleitung 24 gilt.
• Die im Stand der Technik sieh ergebende hohe Leitungskapazität fällt in den Zuleitungen 31, 32 des erfindungsgemäßen Kopfhörers 10 nicht mehr an und ist für die weitere Betrachtung mit Sicherheit zu vernachlässigen. Zur Beaufschlagung der Wandlerkapazität C_W ist jetzt die volle Leistung verfügbar, wie in 1a verdeutlicht ist. Durch den Wegfall der Leitungskapazität C_L kann außerdem die Dimensionierung und der Aufbau der Verstärker 26 beim erfindungsgemäßen Kopfhörer 10 wesentlich vereinfacht werden. Man kommt mit leistungsmäßig und räumlich kleineren Bauteilen aus, welche die Integration des Verstärkers 26 innerhalb der Kopfhörerkapsel 11 entscheidend verringern. Die Leistungsersparnis ist beachtlich; bei gleicher Leistungsbandbreite reduziert sich der Leistungsbedarf des Hochspannungsverstärkers 26 bei der Erfindung gegenüber demjenigen 26' nach dem Stand der Technik auf mindestens ein Drittel. Das ist aus der oben genannten Beziehung (2) ablesbar.
• Die 2 und 3 zeigen den Aufbau des erfindungsgemäßen Kopfhörers 10 im Detail. Die zugehörige Kapsel 11 beinhaltet einen Gehäusering 37, der zur Anbringung eines inneren und äußeren Abdeckgitters 38, 39 dient. Die Abdeckgitter 38, 39 sind für die elektrische Sicherheit notwendig. Der Gehäusering 37 trägt auch ein Ohrpolster 44 und dient zur Montage der beiden Gegenelektroden 13, 14 sowie der Membran 12. Die Membran 12 ist im Gehäusering 37 durch nicht näher gezeigte Abstandsringe gegenüber den Elektroden 13, 14 federnd gelagert. Die erwähnten, im Kombinationskabel 30 zusammengefaßten Zuleitungen 31 bis 34 sind über eine zug entlastete, knickfeste Tülle 43 in einer Einführöffnung des Gehäuserings 37 aufgenommen und in der geschilderten Weise an die Elemente des dortigen elektrostatischen Wandlers 12 bis 14 und der Hochspannungsverstärker 26 angeschlossen.
• Auf der dem Ohrpolster 44 abgekehrten Seite der äußeren Gegenelektrode 14 ist eine Leiterplatte 40 angeordnet, die ringförmig ausgebildet ist und mit ihrer aus 3 ersichtlichen Ringöffnung 41 den akustisch wirksamen Bereich 42 der Gegenelektrode 14 frei läßt. Wegen dieses freien Bereiches 42 tritt keine Verschlechterung der elektroakustischen Übertragungsqualität durch die Integration der Leiterplatte 40 in die Kopfhörerkapsel 11 ein. Die Leiterplatte 40 ist Träger diverser elektrischer Bauelemente, die an ihre Leiterbahnen angeschlossen sind. Zu diesen Bauelementen zählt vor allem der bereits beschriebene Hochspannungsverstärker 26 und die Quelle 29 zur Erzeugung der Polarisationsspannung.
• Gegenüber dem dargestellten Ausführungsbeispiel von 2 und 3 ist eine Abwandlung dadurch möglich, daß der Hochspannungsverstärker 26 unmittelbar von der äußeren Gegenelektrode 14 getragen wird. Dies läßt sich verwirklichen, indem man die Leiterplatte 40 mit der Gegenelektrode 14 zusammenlegt.
• Üblicherweise gehören zu einem Kopfhörer 10 zwei der vorbeschriebenen Kapseln 11. Beide Kapseln 11 werden dann in der geschilderten Weise durch Kombinationsleitungen 30 mit den beschriebenen Spannungen versorgt. In Abwandlung des geschilderten Aufbaus ist es auch möglich, lediglich einer der beiden Kapseln 11 sämtliche Zuleitungen 31 bis 34 für die elektroakustischen Wandler beider Kapseln 11 weiterzuführen und die der zweiten Kapsel zugeordneten Zuleitungen über den die beiden Kapseln verbindenden, nicht näher gezeigten Bügel zuzuführen. Die geschilderte vorteilhafte Ausbildung des erfindungsgemäßen Kopfhörers 10 ergibt sich aber auch dann, wenn man die maßgeblichen Hochspannungsverstärker 26 nicht im Inneren der Kapsel 11 sondern im Bereich eines solchen Kopfhörerbügels anordnet, welcher die beiden Kapseln 11 miteinander verbindet.
• Die Erfindung ist auch anwendbar auf Gegentaktwandler, deren Membran anstelle einer Polarisationsspannung ein Elektret für die Konstantladung aufweist.

10

erfindungsgemäßer Kopfhörer

10'

bekannter Kopfhörer (4a, 4b)

11

Kapsel von 10

11'

Kapsel von 10'

12

Membran

13

eine Gegenelektrode

14

andere Gegenelektrode

15

Kabel für 11'

16

Zuleitung für Polarisationsspannung

17

Zuleitung für hochverstärkte Signalspannung

18

Zuleitung für hochverstärkte Signalspannung

19

Buchsen für 15

20

externes Verstärkergerät

21

Gerätegehäuse von 20

22

Eingang für 23

23

Eingangsleitung für Signalspannung

24

Versorgungsleitung

25

Eingang für 24

26

Hochspannungsverstärker in 11

26'

Hochspannungsverstärker in 21

27

Innenwiderstand bei 10

27'

Innenwiderstand bei 20

28

Ausgang von 20

29

Spannungsquelle für 12

30

Kombinationskabel für 11

31

erste Zuleitung für u_S

32

zweite Zuleitung für u_S

33

Zuleitung für u_V

34

zweite Zuleitung für u_V

35

Steckverbindung für 31 und 32

36

Steckverbindung für 33 und 34

37

Gehäusering von 11

38

inneres Abdeckgitter

39

äußeres Abdeckgitter

40

Leiterplatte

41

Ringöffnung von 40

42

akustisch wirksamer Bereich von 14

43

Tülle bei 30

44

Ohrpolster von 11

45

hochohmiger Widerstand bei 29

C_L

Leitungskapazität von 15

C_W

Wandlerkapazität von 10

u_S

unverstärkte Signalspannung

u_V

Betriebsspannung für 26 bzw. 26

u_H

hochverstärkte Signalspannung

Claims (9)

1. Kopfhörer (10, 10') mit wenigstens einer Kopfhörerkapsel (11, 11'), die einen elektrostatischen Gegentaktwandler beinhaltet, wobei der Gegentaktwandler umfasst – eine durch eine angelegte Polarisationsspannung elektrisch aufladbare Membran (12), – ferner zwei von hochverstärkten Signalspannungen (u_H) beaufschlagbare Gegenelektroden (13, 14), zwischen denen die Membran (12) schwingungsfähig gelagert ist, – und schließlich Zuleitungen (16, 17, 18) für die Polarisationsspannung und für die hochverstärkten Signalspannungen (u_H) und mit einem durch eine Stromversorgung (24) betriebenen Hochspannungsverstärker (26, 26') für die an den beiden Gegenelektroden (13, 14) wirksam werdenden hochverstärkten Signalspannungen (u_H), dadurch gekennzeichnet, dass der Hochspannungsverstärker (26) in den Kopfhörer (10) integriert ist und dass die mit der Kopfhörerkapsel (11) verbundenen Leitungen sowohl aus Zuleitungen (31, 32) für die noch unverstärkten Signalspannungen (u_S) als auch aus Zuleitungen (33, 34) für die Stromversorgung (u_V) des Hochspannungsverstärkers (26) bestehen.
2. Kopfhörer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Hochspannungsverstärker (26) im Innenraum der Kopfhörerkapsel (11) angeordnet ist.
3. Kopfhörer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Hochspannungsverstärker (26) an einem Bügel angeordnet ist, der ggf. zwei Kopfhörerkapseln (11) miteinander verbindet.
4. Kopfhörer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Leiterplatte (40) Träger des Hochspannungsverstärkers (26) ist, die Leiterplatte (40) neben der Gegenelektrode (14) angeordnet liegt und den akustisch wirksamen Bereich (42) dieser Gegenelektrode (14) frei läßt.
5. Kopfhörer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die den Hochspannungsverstärker (26) tragende Leiterplatte (40) ringförmig ausgebildet ist und mit ihrer Ringöffnung (41) den akustisch wirksamen Bereich (42) der Gegenelektrode (14) umschließt.
6. Kopfhörer nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die den Hochspannungsverstärker (26) tragende Leiterplatte (40) auf derjenigen Seite des Gegentaktwandlers (14) liegt, die im Benutzungsfall des Kopfhörers (10) dem menschlichen Ohr abgewandt ist.
7. Kopfhörer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Gegenelektrode (14) selbst Träger des Hochspannungsverstärkers (26) ist und zugehörige Leiterbahnen aufweist.
8. Kopfhörer nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuleitungen (31, 32) für die noch unverstärkten Signalspannungen (u_S) und die Zuleitungen (33, 34) für die Stromversorgung (u_V) des Hochspannungsverstärkers (26) zu einem gemeinsamen Kombinationskabel (30) zusammengefaßt sind.
9. Kopfhörer nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuleitungen (31 bis 34) für einen zwei Kapseln (11) umfassenden Kopfhörer (10) zwar nur zu der ersten der beiden Kapseln (11) geführt sind, aber die der zweiten Kapsel (11) zugeordne ten Zuleitungen von dort über einen die beiden Kapseln verbindenden Kopfhörerbügel von der ersten zur zweiten Kapsel (11) weitergeführt sind.