DE579630C - Schallwiedergabeapparat - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Schallwiedergabeapparate, insbesondere Lautsprecher, und bezweckt eine möglichst getreue Wiedergabe des Gebrauchsfrequenzbereiches, d. h. eine natürliche · Wiedergabe der für Sprache und Musik notwendigen akustischen Schwingungen. Die für solche Apparate bisher verwendeten Membranen haben eine Eigenfrequenz, welche innerhalb des Bereiches der hörbaren Frequenzen, beispielsweise bei 500Per., liegt. Diese im allgemeinen ebenen, kreisförmigen Membranen haben eine große Anzahl von Oberschwingungen, die innerhalb des Gebrauchsfrequenzbereiches

IS liegen und Verzerrungen bedingen. Man hat bereits erwogen, die Eigenschwingungszahl der bekannten Membranen außerhalb des Gebrauchsfrequenzbereiches zu legen, unterhalb oder oberhalb desselben. Praktisch käme jedoch nur das letztere in Frage. Legt man nämlich die Eigenschwingungszahl der Membran unterhalb des Gebrauchsfrequenzbereiches, so fällt die eine oder andere Gebrauchsfrequenz mit einer der Oberschwingungen der Membran zusammen, so daß bei der Wiedergabe des Gebrauchsfrequenzbereiches Verzerrungen entstehen. Der Bau solcher Schallwiedergabegeräte unterblieb, weil man es bisher nicht verstand, diese betonte Wiedergabe gewisser Oberschwingungen zu beseitigen. Legt man aber die Eigenfrequenz der Membran oberhalb des Gebrauchsfrequenzbereiches, so daß sie beispielsweise ro 000 Per. beträgt, so erhält man Lautsprecher, die Sprache und Musik hauptsäch-Hch infolge Fehlens oder Schwächung der tieferen Frequenzen nur erheblich verzerrt wiedergeben.

Gegenstand der Erfindung ist nun ein Schallwiedergabeapparat, bei dem alle diese Nachteile vermieden sind. Man erreicht praktisch vollständige Verzerrungsfreiheit und eine gleichmäßige Abstrahlung der gesamten Nutzfrequenzen durch die Kombination folder Merkmale:

1. Die Membran hat elektrodynamischen Antrieb.

2. Sie ist uneben gestaltet und freistrahlend.

3. Ihre Eigenfrequenz liegt durch Aufhängung mit biegsamem Material unterhalb der Nutzfrequenz (etwa 200 Hertz).

4. Sie ist einerseits so leicht, daß sie den Bewegungen der mit ihr verbundenen Schwingspule eine möglichst geringe Trägheit entgegensetzt, und andererseits so steif, daß im Bereich der Nutzfreqtienzen die bevorzugte

Wiedergabe von Obertönen der Eigenfrequenz infolge von Partialschwingungen vermieden wird.

Die Erfindung wird an Hand der beiliegenden Zeichnung erläutert.

Abb. ι zeigt die Schwingungsamplitude als Funktion der Schwingungsfrequenz für Membranen mit verschiedenen mechanischen Eigenschaften.

to Abb. 2 zeigt die ausgeübte Kraft als Funktion der Bewegung der Schwingungsglieder (Membranen), die in gewöhnlichen Telephonen und Lautsprechern Verwendung finden.

In Abb. 3 ist teilweise im Schnitt eine Vorrichtung gemäß der Erfindung dargestellt.

Die unnatürliche bzw. verzerrte Wiedergabe der bisher gebauten Lautsprecher hat gewöhnlich ihre Ursache in den starken Resonanzstellen innerhalb des Sprechwellenbereiches und darin, daß die Lautsprecher nicht imstande sind, tiefe Töne in befriedigender Weise auszustrahlen. Die besten Mikrophone oder Schallaufnahmevorrichtungen, die zurzeit für die Erzeugung von elektrischen Wellen aus Schallwellen verwendet werden, arbeiten über fast den ganzen Bereich der Betriebsfrequenzen mit ungefähr gleichem Wirkungsgrad. Folglich müßte für die getreue Wiedergabe der ursprünglichen Schallwellen auch der Lautsprecher einen gleichmäßigen Wirkungsgrad besitzen für alle Frequenzen, die in dem Betriebsbereich vorkommen. Wird nun der Apparat mit einem Strom von konstanter Stärke und veränderlicher Frequenz gespeist, dann muß die Schwingungsamplitude der Membran einem gewissen Gesetz bezüglich der Frequenz gehorchen. Dieses Gesetz ist für große und kleine Mernbranen verschieden. Bei Membranen, die groß sind gegen die längsten Wellenlängen, daher ebene Wellen erzeugen, muß die Amplitude der Membranenbewegung sich umgekehrt wie die Frequenz ändern. Bei Membranen, die gegen die kürzesten Wellenlängen klein sind und daher praktisch als schallaussendende Punkte betrachtet werden können, muß die Amplitude sich umgekehrt wie das Quadrat der Frequenz verhalten, um bei den verschiedenen Frequenzen gleiche Schallenergie auszusenden. Dieser Fall trifft ziemlich für die Bedingungen zu, unter denen die Membran eines gewöhnlichen Lautsprechers arbeitet, und in dem vorliegenden Falle sollen diese Bedingungen betrachtet werden.

Die Kurve A der Abb. 1 zeigt die erforderliche Amplitude für gleiche Schallaussendung bei verschiedenen Frequenzen. Die Ordinaten stellen die Amplitude der Membran in willkürlichen Einheiten, die Abszissen die Schwingungsfrequenzen dar.

Kurve B zeigt die Schwingungsamplitude einer gewöhnlichen Lautsprechermembran. Die Grundresonanz der Membran liegt ungefähr bei einer Frequenz von 500, also etwa in der Mitte des gewöhnlichen Sprachfrequenzbereiches. Bei der Berechnung der Ordinaten der Kurve B ist vorausgesetzt, daß die auf die Membran einwirkende, schwingungserzeugende Kraft bei allen dargestellten Frequenzen gleich ist.

Die Kurve C zeigt die Schwingungsamplitude der Membran, deren Grundresonanz unterhalb der niedrigsten, wichtigen Sprechfrequenz liegt. Wird die Membran nun nicht gedämpft und durch keine Kraft außer der eigenen Trägheit in ihre Ruhelage zurückgeführt, dann würde die die Schwingungsfrequenz der Membran anzeigende Kurve genau mit der Kurve A übereinstimmen. Da nun durch Dämpfung die Kurve in der Nachbarschaft der Resonanzstelle herabgedrückt wird und die Rückstellkraft der Membran die Neigung hat, die Kurve höher als A zu machen, ist es möglich, die Amplitudenkurve der Membran so zu gestalten, daß sie der Kurve A über den ganzen Betriebsbereich ziemlich genau folgt, und zwar dadurch, daß die rückführende Kraft und die Dämpfung richtig eingestellt werden. Ein Vergleich der Kurven A und B ergibt, daß jede Membran, deren Grundresonanzpunkt innerhalb des Betriebsbereiches liegt, im Vergleich zu der Schallaussendung beim Resonanzpunkt sehr wenig Schall aussendet bei Frequenzen, die erheblieh unterhalb der Resonanzfrequenz liegen.

Hieraus ergibt sich, daß, wenn man einen Lautsprecher mit kleiner Membran bauen will, die die tieferen Töne im richtigen Verhältnis ausstrahlen soll, für die Membranbewegung entweder eine reine Trägheitssteuerung angewendet werden muß, oder in dem Falle, daß eine elastische Rückführungskraft angewendet wird, diese im Verhältnis zur Masse der Membran so klein sein muß, daß die Resonanzfrequenz tiefer liegt als irgendeine der richtigen Sprachwellenfrequenzen. Diese Bedingung läßt sich dadurch verwirklichen, daß man die Membran schwer oder die rückführende Kraft klein macht. Ist die no Membran schwer, so wird die Empfindlichkeit des Apparates bedeutend herabgesetzt. . Es muß daher mit einer kleinen Rückstellkraft gearbeitet werden. Dies ist jedoch unmöglich, wenn man den üblichen elektromagnetischen Antrieb der Membran anwendet, bei dem ein Eisenanker dicht an den Polen eines oder mehrerer polarisierter Elektromagnete schwingt, da man bei dieser Anordnung eine kräftige, elastische Rückstellkraft anwenden muß, um zu verhindern, daß der Anker an den Polflächen klebt.

Die Kurve A der Abb. 2 zeigt für den Fall eines zwischen zwei Polen angebrachten Eisenankers den magnetischen Zug nach beiden Richtungen, der den Anker aus seiner Normallage herausbringt. Die Kurve B zeigt die kleinste elastische Kraft, die erforderlich ist, um zu verhindern, daß der Anker an den Pölflächen klebt. Die Kurve C zeigt die resultierende Kraft, die den Anker in seiner Mittelstellung festhält. Die Steigung der Kurve C an der Stelle, wo sie die Horizontalachse kreuzt, und die Masse von Anker und Membran bestimmen die Grundresonanzfrequenz. Man sieht, daß die Kurve C beinahe ebenso steil ist wie die Kurve B. Alit anderen Worten, obwohl der magnetische Zug bestrebt ist, die Resonanzfrequenz herabzusetzen, ist diese Wirkung nur eine nebensächliche, und es ist nicht möglich, in der Praxis eine sehr niedrige Resonanzfrequenz dadurch zu erhalten, daß man den magnetischen Zug gegen die elastische Rückstellkraft ausbalanciert.

Ein Antrieb, der die Möglichkeit bietet, mit kleinen Rückstellkräften zu arbeiten, ist ein solcher, bei welchem eine Spule veranlaßt wird, sich in einem gleichbleibenden magnetischen Feld zu bewegen. Diese Art des Antriebes scheint für die Herstellung von Lautsprechern die beste zu sein. Bei dieser Antriebsart ist außer den wechselnden Kräften, die die Schwingungen verursachen, keine Kraft vorhanden, die bestrebt ist, die Membran aus ihrer Mittelstellung zu bewegen. Ferner treten keine widerstrebenden -oder elastischen Rückstellkräfte auf außer denjenigen, die zum Tragen des Membrangewichtes erforderlich sind. Aus diesen Gründen läßt sich ein Grundresonanzpunkt erreichen bei jeder gewünschten niedrigen, Frequenz, z. B. zwischen 20 und 30 Per., und es kann über den gesamten nutzbaren Betriebsbereich die Bewegung der Membran dadurch bestimmt werden, daß man der Membran die richtige Trägheit gibt und eine schwingungserzeugende Kraft anwendet, die den Sprechströmen proportional ist.

In der Abb. 3 ist eine Ausführungsform, bei welcher die obengenannten Grundsätze Anwendung finden, dargestellt. Die wesentliehen Teile dieser Vorrichtung sind die Membran ι und die bewegliche Spule 2, die in dem zwischen den beiden konzentrischen Polstücken 3 und 4 befindlichen Luftspalt aufgehängt ' ist. Diese Polstücke können einem Dauermagneten angehören, oder man kann das magnetische Feld mittels einer Erregerspule 5 erzeugen, die den inneren Polschenkel umgibt. Die Spule ist an einem Ring 6 befestigt, der seinerseits an der Membran 1 verankert ist. Ein starrer Haltering 7 ist auf dem äußeren Polstück 4 angebracht. Ein Ring 8 aus Gummi oder einem anderen biegsamen Material ist an dem Ring 7 befestigt und mit dem Umfang der Membran 1 verbunden. Die Betriebsströme können der Spule 2 entweder durch Leitungen oder induktiv zugeführt werden.

Es genügt nicht, eine Membran herzustellen, deren Grundfrequenz unterhalb des Gebrauchsfrequenzbereiches liegt, sondern es muß auch sichergestellt sein, daß im Bereiche der Nutzfrequenzen die bevorzugte Wiedergabe von Obertönen der Eigenfrequenz infolge von Partialschwingungen vermieden wird, damit der Gebrauchsfrequenzbereich gleichmäßig abgestrahlt wird. Eine flache, .'-runde Platte besitzt eine Reihe von Obertönen entsprechenden Schwingungsknotenpunkten bzw. aufeinanderfolgenden Knotenringen. Anders gestaltete Membranen können auf verschiedene Weise schwingen, je nach ihrer Gestalt und je nach der Stelle, wo die antreibende Kraft angreift. Wenn die Frequenz so hoch wird, daß sich in der Membran mehrere Schwingungen der beschriebenen Art ausbilden, so arbeitet die Membran nicht mehr als einfacher Kolben, sondern einige ihrer Teile bewegen sich entgegengesetzt zu anderen Teilen, und die durchschnittliche Bewegung der Arbeitsfläche kann größer oder !deiner sein als in dem Falle, daß die Membran als starrer Kolben arbeitet.

Ist die antreibende Kraft auf einen Kreis verteilt, wie dies bei dem in der Abb. 3 gezeigten Antrieb durch eine bewegliche Spule möglich ist, so tritt der Punkt, bei welchem : die Membran aufhört, als starrer Kolben zu arbeiten, bei einer höheren Frequenz auf als beim Antrieb durch eine am Mittelpunkt bzw. nahe dem Mittelpunkt die Membran antreibende Kraft. Jedenfalls wird bei dem um einen Kreis verteilten Angriff die Resonanz weniger hervortreten. Um solche Resonanzpunkte bzw. das Auftreten von Knotenpunkten in der Membran — das sogenannte unterteilte Schwingen der Membran — zu ^:. vermeiden, muß letztere vor allem so starr wie möglich gemacht werden, und gleichzeitig muß sie aus anderen Gründen so leicht wie möglich gestaltet sein. Die in der Abb. 3 dargestellte Membranart, welche im wesentlichen aus zwei einander schneidenden konischen Flächen besteht, hat sich als besonders günstig erwiesen, da sie es ermöglicht, eine sehr leichte und gleichzeitig auch sehr starre Membran herzustellen. Eine Membran dieser Art ist viel starrer als eine einfache konische Membran von demselben Durchmesser und Gewicht.

Ein weiteres Merkmal, das für ein einwandfreies Arbeiten eines Lautsprechers wichtig ist, besteht in der Vermeidung von

Resonanzkammern neben der Membran. Ist z. B. der hinter der Membran befindliche Raum total eingeschlossen, so wird es eine Frequenz geben, bei welcher die eingeschlossene Luft eine elastische, rückführende Kraft auf die Membran äußert und zu einer starken Resonanzwirkung Veranlassung gibt. Bei anderen Frequenzen wird die Luft der Bewegung der Membran so widerstehen, ίο daß deren Schwingungsamplitude beträchtlich herabgesetzt wird. Ähnliche Wirkungen können auftreten, wenn die hinter der Membran befindlichen Räume teilweise eingeschlossen sind. Um Schwierigkeiten dieser Art zu überwinden, können die Lufträume durch Energie verzehrendes Material gedämpft werden. Vorzugsweise werden jedoch derartige Abmessungen gewählt, daß ihre Grundresonanzfrequenzen so hoch sind, daß sie praktisch außerhalb des Bereiches der Betriebsfrequenz liegen. Dieses läßt sich anscheinend am besten dadurch erreichen, daß für die hinter der Membran befindlichen Lufträume eine geeignete Entlüftung geschaffen wird, denn hierdurch wird die Resonanzfrequenz erhöht und gleichzeitig die Schärfe der Resonanzabstimmung herabgesetzt.

Aus der in der Abb. 3 gezeigten Ausführungsform ist ersichtlich, daß, da der Lüftspalt zwischen den Polen 3 und 4 zur Erzielung des besten Wirkungsgrades klein sein muß, der Raum zwischen der Membran 1 und dem inneren Pol 3 fast gänzlich eingeschlossen sein muß. Eine passende Entlüftung dieses Raumes läßt sich dadurch erreichen, daß Löcher 9 in dem Ring 6 vorgesehen sind. Der Zentrierring 10, der für die Aufrechterhaltung der richtigen Abstände zwischen den Polen 4 und 3 vorgesehen sein muß, kann auch zum Teil weggeschnitten werden, wie bei 11 angedeutet, damit die Luft zwischen dem kurzen Rohr 6 und dem Pol 3 leichter zirkulieren kann. Gegebenenfalls kann der in der Abb. 3 gezeigte Apparat mit einem passenden Schallwegverlängerer 12 Verwendung finden. Die Größe dieses Schallwegverlängerers bzw. dieser Platte 12 müßte derart sein, daß der Weg, den die Luft von der Vorderfläche nach der Hinterfläche der Membran zurücklegt, mindestens so groß ist wie eine Wellenlänge des auszusendenden Schalles. Der Wegverlängerer 12 wird zweckmäßig aus ziemlich starrem oder schwerem resonanzlosem Material hergestellt.

Claims (4)

1. Patentansprüche:

   i. Schallwiedergabeapparat, gekennzeichnet durch die Kombination folgender Merkmale:

   ι. Die Membran hat elektrodynamischen Antrieb.
2. 2. Sie ist uneben gestaltet und freistrahlend.
3. 3. Ihre Eigenfrequenz liegt durch Aufhängung mit biegsamem Material unterhalb der Nutzfrequenz (etwa 200 Hertz).
4. 4. Sie ist einerseits so leicht, daß sie den Bewegungen der mit ihr verbundenen Schwingspule eine möglichst geringe Trägheit entgegensetzt, und andererseits so steif, daß im Bereich der Nutzfrequenzen die bevorzugte Wiedergabe von Obertönen der Eigenfrequenz infolge von Partialschwingungen vermieden wird.

   2. Schallwiedergabeapparat nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß der einzige Träger der Membran ein biegsames Material ist, welches den Umfang der Membran mit dem feststehenden Ring verbindet.

   3. Schallwiedergabeapparat nach Anspruch: ι oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die in Form zweier sich schneidender Kegelflächen ausgebildete Membran von der Spule längs der Stoßstelle der beiden konischen Flächen angegriffen wird.

   4. Schallwiedergabeapparat nach An-Spruch ι oder folgenden, gekennzeichnet durch einen die Verbindung zwischen Membran und Spule vermittelnden zylindrischen Ring, welcher öffnungen zum Entlüften des Luftraumes zwischen Membran und Spule besitzt.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen