DE551756C

DE551756C - Shell-shaped membrane (spring), especially for acoustic purposes

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Publication number: DE551756C
Application number: DEG74881D
Authority: DE
Original assignee: Dr-Ing Rudolf Goldschmidt
Current assignee: Dr-Ing Rudolf Goldschmidt
Priority date: 1928-11-21
Filing date: 1928-11-21
Publication date: 1932-06-06

Description

DEUTSCHES REICHGERMAN EMPIRE

AUSGEGEBEN AH 6. JUNI 1932ISSUED AH JUNE 6, 1932

REICHSPATENTAMTREICH PATENT OFFICE

PATENTSCHRIFTPATENT LETTERING

J& 551756 KLASSE 21a² GRUPPE J & 551756 CLASS 21a ² GROUP

Patentiert im Deutschen Reiche vom 21. November 1928 abPatented in the German Empire on November 21, 1928

Die Erfindungbetrifft Membranen und Federn, insbesondere für akustische Zwecke, vor allem Telephonie, die gewisse günstige Eigenschaften haben.The invention primarily relates to diaphragms and springs, particularly for acoustic purposes Telephony which have certain favorable properties.

Die Beschreibung möge auf dem elektromagnetischen Telephon aufgebaut werden. Die Membran kann aber ebensogut bei anderen akustischen Apparaten, wie z.B. elektrostatische Telephone, Lautsprecher, Signalhupen, mit Erfolg angewendet werden.Let the description be built on the electromagnetic telephone. the Membrane can just as well be used in other acoustic devices, such as electrostatic Telephones, loudspeakers, signal horns, can be used with success.

Wenn von einer Membran die Rede ist, so pflegt man darunter gewöhnlich ein dünnes Blatt zu verstehen, das an seinem ganzen Umfange eingespannt ist. Die Grenzen sind aber keine scharfen und für die grundsätzliche Entwicklung des Erfindungsgedankens nicht wichtig, wenn auch im praktischen Einzelfall von Bedeutung. Der Einfachheit halber soll hier stets von einer Membran gesprochen werden, auch wenn die Befestigung nur an einem Teile des Randes erfolgt ist und das Gebilde bei größerer Dicke und seiner Gestalt und Einspannung nach den Charakter einer eigentlichen Membran verloren hat und richtiger als eine Feder zu bezeichnen wäre.When a membrane is mentioned, one usually maintains a thin one underneath To understand sheet that is clamped in its entire circumference. But the limits are none sharp and not important for the fundamental development of the inventive idea, even if it is of importance in a practical individual case. For the sake of simplicity, this is supposed to be here Always speak of a membrane, even if the attachment is only on one part of the edge is done and the structure with greater thickness and its shape and restraint has lost the character of an actual membrane and is more correct than one Spring would be to designate.

Ein äußeres Kennzeichen der hier zu behandelnden Membran ist ihre gewölbte Form, etwa wie beim Deckel einer Blechdose, bei der das Verfahren des Wölbens benutzt worden ist, um sie zu versteifen. In der Akustik ist die Wölbung bekannt als ein Mittel, um die Mitte einer Membran starr zu machen, meistens in Verbindung mit einer biegsamen Randzone, so daß ihre Bewegung kolbenartig wird. Die nachstehend beschriebene Membran steht hierzu im Gegensatz. In der Regel wird eine besonders starre Randzone vorgesehen. Die Steifheit der gewölbten Mitte dagegen wird gebrochen durch elastische (unterhalb der Proportionalitätsgrenze des Werkstoffes liegende) Spannungen, die in dem Werkstoff der Membran erzeugt und hier dauernd erhalten werden. Diese elastischen Spannungen bewirken, daß die Membran in der Richtung von der konkaven zur konvexen Seite viel steifer ist als in der umgekehrten Richtung, und daß sich ihre Steifheit rapide steigert, je mehr sie nach der konvexen Seite durchgedrückt oder etwa von einem Magneten durchgezogen wird. Bei der Beurteilung dieser Steifheit sind Bewegungen zugrunde zu legen von der Größenordnung des Luftspaltes zwischen Membran und Magnetpolen. Ohne Gefahr, daß die Membran an den Polen klebt, kann man dann den Luftspalt zwischen beiden viel kleiner wählen, als dies bisher möglich gewesen ist. Gleichzeitig kann man durch entsprechende Wahl der Größe und Form der Wölbung und der Größe der elastischen Spannungen nicht nur die Resonanzfrequenz ein und derselben Membran nach Wunsch einrichten, sondern auch die gesamte Form der sogenannten Resonanzkurve (Bar pro Volt, abhängig von der Frequenz) in weiten Grenzen nach Wunsch gestalten. Durch dies Mittel lassen sich dann Fehler des Mikrophons, der Leitung und ihrer Ausrüstung verhältnismäßig einfach korrigieren, indem schwach durchdringende Frequenzen in der Telephonmembran besonders hervorgehoben werden.An external characteristic of the membrane to be treated here is its curved shape, for example like the lid of a tin can, where the process of arching has been used, to stiffen them. In acoustics, the curvature is known as a means to get around the center to make a membrane rigid, mostly in connection with a flexible edge zone, so that their movement becomes piston-like. The membrane described below is available for this purpose Contrast. As a rule, a particularly rigid edge zone is provided. The stiffness of the arched center, on the other hand, is broken by elastic (below the proportionality limit of the material) stresses that are generated in the material of the membrane and are permanent here can be obtained. These elastic tensions cause the diaphragm in the direction is much stiffer from the concave to the convex side than in the opposite direction, and that its stiffness increases rapidly the more it is pushed through or on the convex side is pulled through by a magnet. When assessing this stiffness are movements to be based on the order of magnitude of the air gap between the membrane and the magnetic poles. Without risking the membrane sticks to the poles, you can choose the air gap between the two to be much smaller than this has been possible so far. At the same time, one can choose the size accordingly and the shape of the bulge and the size of the elastic stresses not only the resonance frequency set up one and the same membrane as desired, but also the entire shape of the so-called resonance curve (bar per Volts, depending on the frequency) within wide limits as desired. Through this Means can then be proportionate to errors of the microphone, the line and their equipment simply correct it by adding weakly penetrating frequencies in the telephone membrane particularly emphasized.

Als ein Ausführungsbeispiel für die Herstellung und das Aussehen der Membran mögen die Abb. ι und 2 und als Beispiel für die. Erzeugung der besonderen Eigenschaften das nach-S stehend beschriebene Verfahren dienen.As an example of the manufacture and appearance of the membrane may like the Fig. ι and 2 and as an example of the. Creation of the special properties of the after-S The procedures described above are used.

M (Abb. 1) ist die Membran in ihrer ursprünglichen ebenen Form. Sie ist in einer Fassung B eingespannt, und zwar sind Membran und Fassung so innig miteinander verbunden, daß sie ίο praktisch einen Körper bilden. Dadurch wird die Gefahr einer ungewünschten nachträglichen Beeinflussung der Membraneigenschaften vermieden, die eintreten würde, wenn die Verbindung durch Zug, Druck und Vibrationen auch nur im mindesten nachgibt. Die Verbindung kann durch Schweißen, Löten und ähnliche Mittel oder dadurch erfolgen, daß die Flächen der Fassung, die an die Membran angepreßt werden, mit Aussparungen oder Rillen versehen sind, 7.0 die sich in den Membranrand scharf eindrücken. M (Fig. 1) is the membrane in its original planar form. It is clamped in a socket B , namely the membrane and socket are so closely connected that they ίο practically form a body. This avoids the risk of undesired subsequent influencing of the membrane properties, which would occur if the connection yields even in the slightest due to tension, pressure and vibrations. The connection can be made by welding, soldering and similar means or by the fact that the surfaces of the mount which are pressed against the membrane are provided with recesses or grooves 7.0 which are sharply pressed into the membrane edge.

Es ist zweckmäßig, zuerst diese Einspannung vorzunehmen (Abb. 1) und dann erst die Ausprägung der gewölbten Form und das Hinzufügen von künstlichen Spannungen, vor allem das letztere. Wollte man die Membran vor der Einspannung formen, so dürfte man in der fabrikationsmäßigen Herstellung kaum zwei gleiche Membranen erzeugen. Praktisch gar 3" nicht zu kontrollierende Unterschiede in der Einspannung und geringfügige Ungleichheiten in der Form der Fassungen haben eine große Einwirkung auf die Eigenschaften der Membran, so daß es zweckmäßig ist, ihr diese Eigenschaften erst nach dem Einspannen in die Fassung zu erteilen.It is advisable to carry out this clamping first (Fig. 1) and only then the expression the arched shape and the addition of artificial tensions, especially the latter. If you wanted the membrane in front of the Form a clamping, so one should hardly be able to do two in the manufacturing process produce identical membranes. Practically even 3 "non-controllable differences in the Restraint and minor inequalities in the shape of the frames have a large one Influence on the properties of the membrane so that it is expedient to use these properties to be issued only after clamping in the socket.

Mit Hilfe von passenden Stempeln wird die Membran in die Form M₁ geprägt. Man erkennt den gewölbten Mittelteil, die Schale und die Randzone in Form eines abgestumpften Kegels, dessen ideelle Spitze auf der konkaven Seite der Schale liegt. Die Kante zwischen Schale und Randkegel sollte scharf, fast schneidenartig ausgeprägt werden. So erhält die Randzone die wünschenswerte Vereinigung von Formbarkeit, Steifheit und Widerstandsfähigkeit zum Zwecke der Erzeugung und dauernden Erhaltung der inneren Spannungen in der Schale, die der Membran ihren Charakter geben.With the help of suitable punches, the membrane is embossed into the shape M _1. You can see the arched middle part, the bowl and the edge zone in the form of a truncated cone, the ideal point of which lies on the concave side of the bowl. The edge between the shell and the peripheral cone should be sharp, almost like a cutting edge. In this way, the edge zone receives the desirable combination of malleability, rigidity and resistance for the purpose of generating and permanently maintaining the internal stresses in the shell, which give the membrane its character.

Durch Ausüben eines Drehmomentes (Pfeile in Abb. 2) längs der Peripherie der Schale oder der Randzone werden nunmehr in dem Werkstoff der Membran Spannungen erzeugt, die die Wölbung um den Betrag f vermindern. Hierdurch nimmt die Membran die Gestalt Af₂ an und erhält die oben geschilderten Eigenschaften. Prüft man ihre Elastizität, indem man sie allmählich nach unten durchdrückt, so stellt sich heraus, daß sie anfangs verhältnismäßig sehr weich ist und sich versteift, je mehr die Durchdrückung sich dem Werte f und somit die Membran sich ihrer ursprünglichen Prägeform M₁ wieder nähert. oder darüber hinausgeht. By exerting a torque (arrows in Fig. 2) along the periphery of the shell or the edge zone, tensions are now generated in the material of the membrane, which reduce the curvature by the amount f . As a result, the membrane assumes the shape Af ₂ and receives the properties described above. If you check its elasticity by gradually pushing it downwards, it turns out that it is relatively very soft at the beginning and that it stiffens the closer the pressure to the value f and thus the membrane approaches its original embossing shape M ₁ again. or beyond.

Abb. 3 zeigt als Beispiel zwei Elastizitätscharakteristiken, die die Durchbiegung D einer so vorbereiteten Membran als Funktion einer in ihrer Mittelzone wirkenden, nach unten gerichteten Kraft P darstellt, und zwar bei gleicher erster Wölbung M₁, aber zwei verschieden großen Rückwölbungen /. Somit hat man die Form der Elastizitätscharakteristik und damit die Form der Resonanzkurve in weiten Grenzen in der Hand.As an example, Fig. 3 shows two elasticity characteristics that represent the deflection D of a membrane prepared in this way as a function of a downward force P acting in its central zone, with the same first arching M ₁ , but two back arches of different sizes /. Thus, one has the shape of the elasticity characteristic and thus the shape of the resonance curve within wide limits.

Die Ähnlichkeit mit den bekannten Magnetisierungskurven von ferromagnetischen Stoffen fällt auf, so daß man wohl auch hier von dem Knie der Kurven sprechen kann. In allen Apparaten, in denen eine äußere Kraft dauernd 8n auf die Membran wirkt (elektromagnetische Telephone), wird diese Kraft zweckmäßig so groß gemacht, daß die Membran im Gebiete des Knies arbeitet. Wichtig ist meistens, daß das Gebiet des Knies nicht sehr groß ist und sich bei den üblichen Apparaten nicht über etwa ¹Z₁₀ mm ausdehnt.The similarity with the known magnetization curves of ferromagnetic materials is striking, so that one can speak of the knee of the curves here too. In all apparatuses in which an external force acts continuously on the membrane (electromagnetic telephones), this force is expediently made so great that the membrane works in the region of the knee. It is usually important that the area of the knee is not very large and that it does not extend beyond about ^{1 to} ₁₀ mm with the usual apparatus.

Die Prägung in die Form M¹ ist automatisch. Die Ausführung der Rückwölbung um f dagegen wird zweckmäßig unter Vornahme von Messungen mit Hilfe einer Meßuhr ausgeführt, die es gestattet, ¹J₁₀₀ mm genau abzulesen.The embossing in the form M ¹ is automatic. The execution of the return buckle to f on the other hand is conveniently carried out under taking measurements with the aid of a dial gauge, which permits ¹ J ₁₀₀ accurately read mm.

Um in Werkstoffen, wie sie sich für die Membranen eignen, z. B. mittelharter Stahl und harte Bronze, die richtigen inneren Rückwölbspannungen zu erzeugen, ist es notwendig, daß man die Membran fünf- oder zehnmal soviel nach oben durchdrückt, als der für die Rückwölbung f gewünschte Betrag ausmacht. In einem gewissen praktischen Fall sollte f = 0,2 mm werden. Um dies zu erreichen, mußte man die Membran um etwa einen Millimeter nach oben durchdrücken. Sie federte dann um 0,8 mm wieder zurück, so daß f = 0,2 verblieb. Bei dieser großen Rückfederung ist ein Verfahren zweckmäßig, das sich die bekannten Ermüdungserscheinungen des Materials zunutze macht. Danach wird das Zurückdrücken nach oben in geringerem Maße, dafür aber mehrfach vorgenommen. In obigem Beispiel würde man statt um ι mm nur um etwa 0,6 mm nach oben durchdrücken und dies öfter wiederholen. Dann würde sich die' Rückwölbung f in Stufen von ■twa 0,05 mm allmählich dem gewünschten Wert o,2 nähern. Die Stufen sollten so klein gehalten werden, daß sie innerhalb der mit Rücksicht auf die Eigenschaften der gesamten Membran zulässigen Toleranzen liegen.In order to use materials that are suitable for the membranes, e.g. B. medium-hard steel and hard bronze to generate the correct internal arching tension, it is necessary to push the membrane five or ten times as much upwards as the amount required for the arching f. In a certain practical case, f should become 0.2 mm. In order to achieve this, the membrane had to be pushed upwards by about a millimeter. It then bounced back by 0.8 mm, so that f = 0.2 remained. With this large springback, a method that makes use of the known fatigue phenomena of the material is expedient. Then the pushing back upwards is done to a lesser extent, but more than once. In the above example, you would only press about 0.6 mm upwards instead of ι mm and repeat this more often. Then the arching back f would gradually approach the desired value 0.2 in steps of about 0.05 mm. The steps should be kept so small that they are within the tolerances permissible with regard to the properties of the entire membrane.

Für die Eigenschaften der Membran ist nicht nur ihre eigene Elastizitätskurve (Abb. 3) maß- ;ebend, sondern auch der Charakter der auf dieThe properties of the membrane are not only measured by its own elasticity curve (Fig. 3). ; ibid, but also the character of the on the

Membran wirkenden äußeren Kräfte, insbesondere der des Magneten bei Schallwiedergabeapparaten, die auf elektromagnetischem Prinzip beruhen. Um diese Kräfte zu berücksichtigen, muß die Steifheit der Membran mit wachsender Durchbiegung um so steiler zunehmen, jeschärfer die Magnetkräfte mit der Annäherung der Membran an die Pole anwachsen. Erfolgt dies quadratisch, so sollte sich die elastische Kraft derExternal forces acting on the membrane, especially those of the magnet in sound reproduction devices, which are based on the electromagnetic principle. To take these forces into account, the stiffness of the membrane must increase the steeper, the more sharply, with increasing deflection the magnetic forces increase as the membrane approaches the poles. If this is done quadratically, so should the elastic force of the

ίο Membran mit der dritten oder vierten Potenz steigern, soweit bei einer nicht genau dem Potenzgesetz folgenden Kurve innerhalb der in Betracht kommenden Grenzen ein solches Gesetz Geltung hat.ίο diaphragm with the third or fourth power if a curve does not exactly follow the power law within the in Such a law is applicable.

Abb. 2 stellt auch den Schnitt durch eine Feder dar, wenn man sich den zugehörigen Grundriß nicht rund, sondern rechteckig und Mo nur an den beiden gegenüberliegenden Seiten eingespannt denkt. Es ist nicht notwendig, daß die Magnet- und Antriebskraft unmittelbar an die Feder M₂ angreift. Dies kann unter Wahl einer passenden Übersetzung mit Hilfe eines Hebels geschehen, der mit einem Anker für das Magnetsystem ausgerüstet ist.Fig. 2 also shows the section through a spring, if one thinks of the associated plan not round, but rectangular and Mo only clamped on the two opposite sides. It is not necessary that the magnetic and driving force act directly on the spring M ₂ . This can be done by choosing a suitable translation with the help of a lever that is equipped with an armature for the magnet system.

Claims

Patent claims:

i. Shell-shaped diaphragms (springs), in particular for acoustic purposes, their unconstrained rigid curvature is reduced by elastic stresses acting in it and the influence of an external force is exposed, characterized in that the external force (magnetic pull) in counteraction to the internal tensions strives to deepen the curvature of the shell again.

2. Membrane according to claim 1 in connection with a magnet, characterized in that that the magnet is arranged on the convex side and its tensile force in opposition to the inner one Tension strives to deepen the curvature of the shell again.

3. Membrane according to claim 1, characterized in that the external force in The size and character are dimensioned so that under their influence the membrane into the Working area of the knee (part with a pronounced bend) of their resulting characteristic is moved.

4. Membrane according to claim 1 in cooperation with an external force (Magnetic pull), characterized in that when the membrane is bent in the direction the external force by an amount of the order of magnitude of the most favorably set Air gap between the membrane and the magnetic poles of the increase in elastic Force is significantly greater than the decrease in elastic force when bending by the same amount in the opposite direction.

5. Membrane according to claim 1, characterized in that the rigid bulge and the elastic tensions are chosen so that the transmission lines, microphones and other influences disproportionately weakened frequencies are particularly emphasized by the membrane.

6. spring (membrane) according to claim i, characterized in that the driving force acts on the membrane through a lever.

1 sheet of drawings