DE582050C

DE582050C - Zusammengesetztes elektrisches und mechanisches System fuer die UEbertragung eines Schwingungsfrequenzbandes

Info

Publication number: DE582050C
Application number: DEI26900D
Authority: DE
Original assignee: Electrical Research Products Inc
Current assignee: Electrical Research Products Inc
Priority date: 1924-11-24
Filing date: 1925-11-21
Publication date: 1933-08-12
Also published as: US1681554A; FR615028A; GB243321A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf zusammengesetzte elektrische und mechanische Systeme für die Übertragung eines Schwingungsfrequenzbandes, bei denen der elektrische Teil eine elektrische Siebkette bekannter Art und der mechanische Teil eine mechanische Siebkette bekannter Art aufweist und die elektrischen und mechanischen Teile durch eine elektromagnetische Einrichtung miteinander gekoppelt sind, bei der ein in den Erregerwicklungen fließender Wechselstrom entsprechende Kräfte auf einen beweglichen, durch ein überlagertes magnetisches Feld polarisierten Anker ausübt, insbesondere zur Übertragung eines bestimmten Frequenzbandes bei Telephonen mit polarisiertem Anker. Erfindungsgemäß ist bei solchen Systemen die wirksame Ankermasse m_le, die als scheinbare negative Elastizität auf den Anker wir-

ao kende Kraft des polarisierten magnetischen Feldes 6'₁₉, die Elastizität der Ankerachse S₂O und der für die Kraftübertragung wirksame Bruchteil d des Gesamtflusses der Erregerwicklungen in Abhängigkeit von den Grenzen Z₁ und f₂ des zu übertragenden Frequenzbandes nach den Formeln bemessen

(Λ

20

"19

Eine besondere, im folgenden beschriebene Ausführungsform der Erfindung ist ein lautsprechendes Telephon, dessen elektrische, mechanische und akustische Bestandteile so eingerichtet sind, daß sie eine einzige Breitbandwellensiebkette bilden, über welche Energie nacheinander durch elektrische Wellen, mechanische Schwingungen und Schallwellen fortgepflanzt wird.

Um die Grundzüge und das Wesen der Erfindung mehr hervorzuheben, werden zunächst Vorrichtungen in Form mechanischer Wellensiebketten beschrieben. Diese sind besonders gewählt, um den Einklang zwischen den Bestandteilen einer mechanischen Einrichtung und denjenigen der analogen elektrischen Einrichtung darzutun. Da die Theorie der Wellensiebketten in der Hauptsache in bezug auf elektrische Einrichtungen entwickelt und ausgeführt worden ist, ist ihre Anwendung auf andere Bewegungsarten dem Verständnis wegen des Fehlens vertrauter Bestandteile und Bauteile weniger geläufig, die klar den Teilen einer elektrischen Einrichtung entsprechen.

In Wellensignaleinrichtungen bildet die Übermittlung größtmöglicher Energie aus einer gegebenen Quelle den Hauptgegenstand der Bemessung, und um dies zu erreichen, ist eine bekannte Voraussetzung, daß die Impedanzen an den Verbindungspunkten aufeinanderfolgender Abschnitte richtig angepaßt werden müssen, um Reflektionsverluste zu vermeiden. Wenn diese Impedanzen der Na-

tür nach nicht gleich sind, ist es üblich, an den Verbindungspunkten Transformatoren einzufügen, deren Übersetzungsverhältnisse die Ungleichheit der Impedanzen aufheben. Praktische Schwierigkeiten jedoch machen es unmöglich, verlustlose Transformatoren zu bauen. Sie sind auch mit Rücksicht auf den Bereich verzerrungsfrei übermittelter Frequenzen beschränkt, indem Niederfrequenzwellen durch die niederen Impedanzen der Wicklungen geschwächt und Hochfrequenzwellen in den elektrostatischen Kapazitäten der Wicklungen absorbiert werden.

Es ist schon vorgeschlagen worden, ein elektrisches Wellenfilter zu konstruieren, welches an seinen Enden verschiedene Impedanzen hat, so daß es zwischen Stromkreisen mit verschiedenen Impedanzen eingeschaltet Averden kann.

ao In selektiven Übermittlungseinrichtungen wird der Bereich der Frequenzen zweckmäßig durch die Einfügung von Bandsiebketteii beschränkt. Auch in gewissen Einrichtungsarten, die notwendigerweise Ketten von tätigen Gliedern mit Reaktanzen verschiedener Art enthalten, ist es vorteilhaft, die Bestandteile derart zu bemessen, daß sie sich dazu vereinigen, als eine Wellensiebkette von begrenztem Frequenzbereich zu arbeiten. Das lautsprechende Telephon, in welchem die Erfindung zur Ausführung kommt, ist ein Beispiel des letzten Anwendungsgebietes.

Es ist ferner bekannt, Wellensiebketten herzustellen, die nicht nur die Eigenschaft der Frequenzunterscheidung, sondern auch der Impedanztransformierung ohne Energieverlust aufweisen. Derartige Siebketten können deshalb mit Vorteil in selektiven Übermittlungseinrichtungen Verwendung finden, wodurch die Anzahl von benötigten Transformatoren herabgesetzt wird. Impedanztransformierungen können an einzelnen Stellen innerhalb einer Wellensiebkette vorgenommen werden, ohne das allgemeine Übersetzungsverhältnis zu beeinträchtigen, aber dabei zu ermöglichen, daß die Größen der einzelnen Reaktanzen in solche Werte verändert werden, als in möglichst wirtschaftlicher Weise in praktischen physikalischen Anordnungen erzielbar ist.

Die Anwendung der allgemeinen physikalischen Theorie von Wellensiebketten folgt aus dem Umstand, daß die Gesetze, welche die Bewegung von Elektrizität beherrschen, nur Sonderfälle der allgemeinen dynamischen Gesetze der Bewegung sind. Die Ausdehnung der Wellensiebkettentheorie auf andere Bewegungsarten, soweit als zum richtigen Verständnis der Erfindung notwendig ist, wird durch Kenntnisnahme von den sich entsprechenden Bewegungseigenschaften in verschiedenen Einrichtungen erleichtert, welche Eigenschaften in der folgenden Tabelle aufgeführt sind:

Mechanische Bewegung	Winkelförmig	Elektrische
Linear	Moment	Bewegung
Kraft	Winkel	EMK
Verschiebung		Elektrizitäts
	Winkelge	menge
Geschwindig	schwindigkeit	Strom
keit .	Trägheits
Masse	moment	Induktanz
	Torsions-
Elastanz	elastanz	I
	Torsionsnach	Kapazität
Nachgiebig	giebigkeit	Kapazität
keit	Reibung
Reibung	Widerstand

Die Ausdrücke »Masse«, »Elastanz« und »Nachgiebigkeit« bezeichnen Gesamteigenschaften von Baugliedern, die auf die besonderen Größen Dichte und Elastizität bezogen sind. Die Reaktionskräfte, die ein Körper einer aufgedrückten Kraft entgegenstellt, bestehen aus Komponenten, die gleich dem Produkt seiner Masse und der Beschleunigung seiner Bewegung und seiner Elastizität und Verschiebung sind. Diese sind analog den rückwirkenden elektromotorischen Kräften in einem elektrischen Stromkreis, die von dem Maße der. Stromveränderung in einer Induktanz und von der Verschiebung von Elektrizität in einer Kapazität herrühren. Die quantitativen Beziehungen zwischen den Eigenschäften mechanischer und elektrischer Einrichtungen folgern aus dem Umstand, daß Energie in der gleichen absoluten Einheit, dem Erg, in beiden Einrichtungen gemessen wird. Bewegungen in den beiden Einrichtungsarten sind vergleichbar, wenn die Reaktanzeigenschaften der Bestandteile und die Verschiebungen sämtlich in den absoluten oder C. G. S.-Einheiten gemessen werden. In einer zusammengesetzten Einrichtung, in welcher Energie aus der elektrischen in die mechanische Form oder umgekehrt umgesetzt wird, muß ein Faktor bekannt sein, der sich auf die Geschwindigkeiten oder die Verschiebungen in den zwei Bewegungsarten bezieht, bevor die Bewegungen . durch die vollständige Einrichtung hindurch bestimmt werden können.

In der vorstehenden Tabelle sind die analogen Größen sowohl der linearen als auch der winkelförmigen Bewegung aufgeführt, in der ausführlichen Beschreibung mechanischer

Einrichtungen aber, wie folgt, wird das sich auf die lineare Bewegungsart beziehende Namensverzeichnis allein benutzt. Die tatsächlich auftretende Bewegungsart wird aus der Beschreibung verständlich.

Die Analogie zwischen elektrischem Widerstand und mechanischer Reibung ist nicht immer vollständig; ein konstanter elektrischer Widerstand ist gekennzeichnet durch seine

ίο Eigenschaft der Energiezerstreuung in einem Maße, das dem Quadrate des Stromes proportional ist, und die mechanische Reibung muß, um analog zu sein, die Eigenschaft der Energiezerstreuung in einem Maße haben, das proportional dem Quadrate der mechanischen Geschwindigkeit ist. Gewöhnliche mechanische Reibung weist diese Eigenschaft nicht auf, und man muß im allgemeinen irgendeine Form von Flüssigkeitsreibung benutzen, um das Äquivalent elektrischen Widerstandes zu erhalten.

In elektrischen Einrichtungen ist es leicht, Baubestandteile zu erhalten, welche praktisch reine Induktanz oder reine Kapazität aufweisen, und zwar durch die Wahl besonderer Formen und Werkstoffe, in denen eine Eigenschaft vorherrscht und die andere gemindert ist. In gleicher Weise können Bestandteile erhalten werden, welche einfache Eigenschaften mit Bezug auf die übrigen Bewegungseinrichtungen aufweisen. Z. B. hat ein dünner flacher Luftraum, der mit seiner Ebene quer zur Richtung der Schwingungsbewegung angeordnet ist, Zusammendrückbarkeit mit fast keiner Masse, während eine sehr schmale Luftsäule, die ihre Achse in einer Linie mit der Bewegungsrichtung hat, Masse mit fast keiner Zusammendrückbarkeit aufweist.

Die Eigenart der Erfindung und die Art und Weise ihrer Anwendung wird aus der folgenden ausführlichen Beschreibung an Hand der Zeichnung verständlich werden:

Abb. i, ia, 2 und 2a dienen dem Zweck, die Theorie der Wellenfilter zu erläutern.

Abb. 3 und 3a zeigen in schematischer Form eine elektrische Wellensiebkette und ein mechanisches Analogon für den Zweck des Vergleichs mit Abb. 4 und 4a, die die gleiche Siebkette in abgeänderter Form darstellen, um Wellenbewegungstransformierungen zu bewirken.

Abb. 5 bzw. 5a stellen eine nichttransformierende Wellensiebkette und eine Wellensiebkette entsprechender Eigenschaften dar, in welcher der Aufbau vereinfacht ist.

Abb. 6 und 6a veranschaulichen ähnliche Wellensiebe.

Abb. 7 zeigt ein lautsprechendes Telephon nach der Erfindung.

Abb. 8 und 9 sind zusätzliche Ansichten des Telephons der Abb. 7, um gewisse Einzelheiten der Einrichtung ausführlicher zu erläutern,

Abb. io und ii veranschaulichen in schematischer Form die Wellensiebketteneinrichtung des in Abb. 7 dargestellten Hörers.

. Allgemeine Grundzüge

Zwei wichtige Äquivalente, mit deren Hilfe die Erklärung der Grundzüge der Erfindung wesentlich vereinfacht wird, sind in Abb. 1 und ia bzw. Abb. 2 und 2a veranschaulicht.

Die Vierklemmenschaltung der Abb. 1 besteht aus einer Nabenschlußimpedanz Z_A, die uneingeschränkt in ihrer Form ist, und einem idealen Transformator T. Der Transformator T ist mit Wicklungen von unendlicher großer Induktanz, mit vollkommener Kopplung und Nullwiderstand angenommen. Ferner sind die Selbstimpedanzen der Wicklungen, obgleich unendlich groß, mit einem endlichen konstanten Verhältnis angenommen, wie durch die Gleichung ausgedrückt

■/ =Φ\ (I) S₅

wobei Z₁ bzw. Z₂ die Primär- bzw. Sekundärimpedanzen bezeichnen und Φ das Verhältnis der Übersetzung ist. Ein derartiger Transformator könnte weder- irgendwelche Energie speichern, wäre verlustfrei 'und würde bei allen Frequenzen als ein Umformer von Wellenbewegung gleich wirksam sein. Keine physikalische Anordnung läßt sich herstellen, um diese Merkmale zu verkörpern; nichtsdestoweniger aber ist, weil praktische Transformatoren sich dem Ideal stark annähern, der Begriff des idealen Transformators von großer Zweckmäßigkeit.

Die Vierklemmen-T-Schaltung der Abb. ia und die Schaltung der Abb. 1 sind gleichwertig mit Bezug auf die Übermittlung von Wellen von links nach rechts oder von rechts nach links. Dies läßt sich durch Ableitung der Formeln für die in den beiden Schaltungen aufgenommenen Ströme dartun, wenn die Schaltungen an ihren rechten Enden in gleichen Impedanzen endigen und gleichen elektromotorischen Kräften unterworfen werden, die man auf die linken Endklemmen aufdrückt. In gleicher Weise kann die Gleichwertigkeit der Schaltungen der Abb. 2 und 2a bewiesen werden. Es folgt dann, daß eine dreiteilige T-Schaltung, in welcher jeder Bestandteil eine endliche Impedanz hat, für einen idealen Transformator eingesetzt werden kann, der eine endliche Impedanz in Parallelschaltung mit einer seiner Wicklungen hat, und daß eine T-Schaltung von endlichen Impedanzen einen idealen Transformator ersetzen kann, der eine endliche Impedanz in Reihenverbindung mit einer seiner Wicklun-

gen hat. Die Impedanzglieder in den Schaltungen der Abb. ia bzw. 2a sind durch einfache zahlenmäßige Faktoren auf die Impedanzen Z_A und Z_B der erstlichem Schaltungen bezogen. Diese Impedanzen können aus einfachen Reaktanzen oder Widerständen bestehen, oder sie umfassen Reaktanzen und Widerstände in einer verwickelten Schaltung, in welchem Falle die Zweige der gleichwertigen Schaltungen aus Schaltungen von ähnlicher Form bestehen, welche die Impedanzen entsprechender Bestandteile beständig in Beziehung gesetzt haben. Ferner sind jedoch in der Schaltung der Abb. ia die beiden Reihenzweigimpedanzen notwendigerweise von entgegengesetztem Vorzeichen, und in der Schaltung der Abb. 2a sind die beiden Nebenschlußimpedanzen auch entgegengesetzt im Vorzeichen. Um die Ausführung dieser Schaltun-

ao gen unter allen Umständen möglich zu machen, würde es notwendig sein, Glieder verfügbar zu haben, die sowohl positiver als auch negativer Masse oder Induktanz und sowohl positiver als auch negativer Nachgiebigkeit oder Kapazität entsprechen. Unter bestimmten Umständen mag sich negative Nachgiebigkeit, wie man später sehen wird, verwirklichen lassen, im allgemeinen aber sind dies und negative Masse Eigenschaften, die sich irgendeinem einfachen Bauteil nicht mitteilen lassen.

Anwendung auf elektrische W e 11 e η s ie bk e 11 e η

Obgleich die transformierenden Schaltungen der Abb. ia und 2a physikalisch an und für sich nicht durchführbar sind, lassen sie sich doch in Wellensiebketten oder andere Anordnungen einbauen, wobei das einzige Erfordernis das ist, daß in der Schaltung an der Stelle, wo die Transformierung auftritt, Glieder mit entsprechenden positiven Eigenschaften ausreichender Größe verfügbar sein müßten, um die negativen Eigenschaften der transformierenden Schaltung zu absorbieren. Beispielsweise läßt sich die elektrische Siebkettenanordnung der Abb. 3 entsprechend den oben angegebenen Grundzügen und Formeln derart bemessen, daß sie zwischen. Endimpedanzen gleicher Größe arbeitet. Die derart bestimmten Induktanzen und Kapazitäten sind durch die Buchstaben L und C mit Zahlenindizes bezeichnet, um ihre Anordnung im Stromkreis festzulegen. Diese Größen sind auf die abschließende Impedanz, die als ein Widerstand R₁ dargestellt ist, durch Faktoren bezogen, welche die Siebkettengrenzfrequenzen mit sich bringen. Es ist jedoch für das Verständnis der Erfindung nicht notwendig, daß man diese Faktoren kennt.

Wenn es erwünscht ist, die Siebkette ungleichen Endimpedanzen anzupassen, kann man seine Zuflucht zur Anwendung eines oder mehrerer wirksamer Transformatoren nehmen, die an irgendeiner Stelle in die Einrichtung eingefügt werden. Es sei angenommen, daß zwei aufeinanderfolgende Tiefertransformierungen beabsichtigt sind, indem die erste durch die Einfügung eines Transformators an der durch die punktierte Linie A-A' angegebene Stelle und die zweite durch 'die Einfügung eines Transformators bei B-B' vorgenommen wird. Damit keine inneren Reflexionsverluste hineingebracht werden, erfordert die Einfügung der Transformatoren eine Abänderung der Konstanten der Siebkettenimpedanzglieder. Wenn das erste bzw. zweite Übersetzungsverhältnis durch (P₁ bzw. Φ₂ bezeichnet wird, müssen dann nach entsprechenden bekannten Grundsätzen der Stromkreisbemessung alle Glieder rechts von A-A' so abgeändert werden, daß sie Impedanzen gleich dem Φι-fachen der Impedanzen der normalen Bemessung haben, und die Glieder rechts von B-B' müssen weiter so abgeändert werden, daß sie von den ursprünglichen Werten in dem- Gesamtverhältnis Φ\ · Φ\ verringerte Impedanzen haben. Es hat sich bei der Untersuchung herausgestellt, daß eine auf diese Weise abgeänderte Siebkette eine Kombination der in Abb. 1 dargestellten Art einschließt, nämlich die Kombination abgeänderter Kapazität Φ\ C₃ und den bei B-B' eingefügten Transformator, und auch eine.der Abb. 2 entsprechende Kornbination, nämlich die Induktanz L₃ und den bei A-A' eingefügten Transformator. Eine weitere Betrachtung zeigt, daß der Stromkreis eine Induktanz und eine Kapazität enthält, durch welche die negative Induktanz und die negative Kapazität absorbiert werden können, die sich aus dem Einsatz-der äquivalenten Schaltungen für die oben angeführten Kombinationen ergeben.

Die schließlich als Ergebnis des Einsatzes erhaltene Schaltung ist in Abb. 4 dargestellt. .Da die Übersetzungsverhältnisse φ_Λ und Φ₂ beide zu weniger als Eins angenommen wurden, entsprechend Tiefertransformierungen, wirkt sich der Ersatz der der Kombination; von L₃ gleichwertigen Schaltungen und des Transformators in einer negativen Induktanz parallel mit der Kombination L₁, C₁, L2 aus. Es ist nicht ohne weiteres ersichtlich, daß diese Kombination die negative Induktanz in Parallelschaltung absorbieren kann, aber es wird durch die Anwendung eines brauchbaren Äquivalentes offensichtlich gemacht, wie z. B. durch Zobel in dem Aufsatz »Theorie and design of uniform and composite electric wavefilters« im »Bell system technical Journal«, Band II, Nr. ι vom Januar 1923 ausgeführt

ist. Nach Zobel kann die Kombination L₁, C₁, L₂ durch eine parallele Kombination ersetzt werden, welche eine einzige Induktanz vom Werte (L₁ + L₂) parallel mit einer in Resonanz befindlichen Reihenkombination von

einer Induktanz L_n — L₂11 -f- -yM und einer Kapazität C₁. = —, V-rs- umfassen kann.

Die wirksame Induktanz von L₁ + L₂ in Kombination mit der negativen Induktanz der ersten Transformierungsschaltung wird so lange eine positive Größe haben, als die Induktanz (L₁ + L₂) die kleinere ist und folglich unter dieser Bedingung in einer physikalischen Anordnung verwirklicht wer-

den kann. Die abgeänderte Kapazität

wird sich also mit der negativen Kapazität der zweiten Transformierungsschaltung vereinigen, um eine resultierende positive Kapazität so lange zu erzeugen, als die erste Kapazität die kleinere ist.

Es ist nun eine einfache Sache, die Induktanz- und Kapazitätswerte der Glieder der Abb. 4 in Ausdrücken der Werte in Abb. 3 niederzuschreiben, wenn man im Gedächtnis behält, daß bei Transformierung Induktanz und Kapazitätswerte im entgegengesetzten Sinne abgeändert werden müssen. Die Werte folgen:

L_n —

C₁

L₁

τ

L_x L₈ = Φ₁.

■L-a =: L··, -

-L₁-L_x

(2)

^s — ~^ΐϊ

ΦΙ (ι — Φ,) '

L₁₁ =

R, =

ΦΙ Φ-/

Ι~_Λ· Φι ΦΙ R₁-ΦΙ ΦΙ

Eine Kapazität, welche C₄ entspricht, ist scheinbar zwischen C₉ und der Kombination C₁₀ und L₁₁ weggelassen worden, deren Wert

C₃ C₄

— (i —(P₈)CJ

(3)

sein würde. Der Ausfall dieses Kondensators veranschaulicht den besonderen Fall, in welchem die positive Impedanz eines Ursprung-Hch in dem Stromkreis vorhandenen Bestandteils gerade ausreicht, um die negative Impedanz der Transformierungsschaltung aufzuheben. Es ist offensichtlich, daß Formel (3) unter gewissen Bedingungen eine unendliche Kapazität bezeichnet, deren Impedanz Null ist.

Anwendung auf mechanische Wellensieb ketten

Die Anwendung der vorhergehenden Grundsätze auf mechanische Wellensiebketten ist in Abb. 3a und 4a veranschaulicht, welche in einer zweckmäßigen Weise mechanische Wellensiebketten für Torsionsschwingungen darstellen, die den elektrischen Wellensiebketten der Abb. 3 bzw. 4 analog sind. In der Siebkette der Abb. 3a werden die Torsionsschwingungen über eine Kette von Bestandteilen übertragen, welche drehbar auf einer festen Welle 6 angebracht sind. Bewegung wird der Einrichtung durch Torsionskräfte mitgeteilt, welche einer Triebscheibe 9 aufgedrückt werden. Widerstand gegen Bewegung ist in der Trägheit und elastischen Reaktionen der einzelnen, die Kette bildenden Glieder vorhanden, wobei die Impedanzen jeweils den induktiven bzw. kapazitiven Reaktanzen der elektrischen Einrichtung entsprechen. Die Massen W₁, m₂, m_s, m₄ und m_s liefern die too Trägheitsreaktiönen; die Elastizitäten sind durch Federn mit Nachgiebigkeit nur auf Torsionskräfte vorgesehen und durch S₁, S₂, S₃, Si und ^₅ bezeichnet. Um die Wirkung der Schwerkraft als eine steuernde Kraft auszuscheiden, sind die Massen in um die Mittellinie der Welle abgeglichenen Paaren angeordnet; der Symmetrie wegen sind auch die Elastizitäten in abgeglichenen Paaren angeordnet. Das Massenpaar ?% entspricht der Induktanz L₁ der Abb. 3, die Elastizitäten S₁ entsprechen dem reziproken Wert der Kapazität C₁ und so fort durch die beiden Einrichtungen hindurch. Die feste Welle 6 entspricht der gemeinsamen Verbindung zwisehen den Klemmen 2 und 4 der Abb. 3. Die aufeinanderfolgenden Reüienabzweigungen von links nach rechts zwischen den Klemmen ι und 3 der elektrischen Siebkette finden ihre Gegenstücke in den drehbaren Buchsen 5, 8 und 7 und den daran befestigten Gliedern. Die Nebenschlußimpedanzen sind

in der mechanischen Anordnung durch Einrichtungen von Massen und Elastizitäten dargestellt, welche an leichten, starren Spindeln befestigt sind. Diese Spindeln können sich um die Hauptwelle in einer dazu senkrechten Ebene drehen und sind zu Bewegungen fähig, die sich von denen der Reihenglieder unterscheiden. Die Impedanzen umfassen die Glieder To₁, W₂ und S₁ und auch die ίο Glieder To₄ und S₃. Die Verbindungen zwischen den Reihen- und den Nebenschlußarmen sind durch Kegelräder io und Triebräder Ii hergestellt. Die Triebräder ii sind so angeordnet, daß sie frei auf den Spindeln der Nebenschlußeinrichtung umlaufen können. Der Einfluß des Widerstandes R₁, in welchem die elektrische Siebkette endigt, wird in der mechanischen Einrichtung mittels einer leitenden Scheibe 13 erhalten; die an der Büchse 7 angebracht ist und zwischen den Polen von Dauermagneten 14 umläuft. Die Bremswirkung zwischen dem Fluß der Magnete und den in der Scheibe induzierten Strömen ruft eine Hemmung hervor, die proportional der Bewegungsgeschwindigkeit der Scheibe ist, und ist deshalb eine richtige Analogie konstanten elektrischen Widerstandes. Die Federn S₂ und S₄, welche zu den Reihenzweigimpedanzen beitragen, sind mit ihren äußeren Enden im Anschluß an außenliegende Widerlager 12 dargestellt, die entweder als ortsfeste Punkte oder als Massen von unendlich großer Trägheit angesehen werden können. Die Nebenschlußkombination L₄, C₃ der Abb. 3 erscheint in Abb. 3a als zwei getrennte Nebenschlußeinrichtungen, in deren einer die Massen W₄ durch ein Kegelrädergetriebe angetrieben werden und in deren anderer eine leichte Spindel, die an der Bewegung um die Welle durch Spulenfedern S₃ gehindert wird, in ähnlicher Weise angetrieben wird.

Die Ähnlichkeit der Übermittlungskennlinien der beiden Einrichtungen kann durch Prüfung ihrer Einflüsse unter entsprechenden Arten aufgedrückter Kraft dargetan werden. Ein der Triebscheibe 9 erteiltes Drehmoment entspricht einer EMK, die den Klemmen 1 und 2 angelegt wird. Wenn die EMK, die man an die elektrische Siebkette anlegt, stetig und gleichgerichtet ist, fließt nur durch die Induktanzen L₁ und L₂ ein Strom; er wird nur durch die kleinen Widerstände dieser Glieder begrenzt. Der Kondensator C₂ sperrt den Stromfluß nach den übrigen Zweigen des Stromkreises ab; dort aber macht sich eine elektrische Verschiebung in jedem Kondensator bemerkbar, die von den jeweiligen Kapazitäten abhängt. In ähnlicher Weise wirkt sich ein stetiges, an die mechanische Siebkette angelegtes Drehmoment in einer kontinuierlichen Bewegung der Massen M₁ und m₂ aus, die verbleibenden Teile aber werden in wenig verschobenen Stellungen durch die Hemmungen der verschiedenen Federn festgehalten.

Eine EMK von der Frequenz, bei welcher die Kombination L₅, C₃ in Resonanz ist, wird stark geschwächt werden. Der Gesamtstrom in dem zweiten Reihenzweig wird praktisch Null sein, obwohl ein großer umlaufender Strom in dem geschlossenen Resonanzkreis herumfließt. In der mechanischen Einrichtung erzeugt ein schwingendes Drehmoment von der Frequenz, bei welcher die Kombination m_s, S_s in Resonanz ist, praktisch keine Bewegung der Büchse 7. Die Kombination m_s, S^ ist gleichwertig einem elektrischen Gegenresonanzreihenstromkreis; bei Resonanz schwingen die Masse und die Federn selbst' heftig, aber behindern stark jede Bewegung der Büchse 7.

Die Einrichtung M₁, S₁ ist von ähnlicher Art und veranlaßt deshalb bei mancher Frequenz den Nebenschlußarm, eine unendlich große Impedanz zu haben; eine gleiche Wirkung wird in der elektrischen Einrichtung bei der Resonanz von L₁, C₁ hervorgebracht. Bei viel oberhalb der Resonanz liegenden Frequenzen sucht die Masse To₁ ortsfest zu bleiben, und die Kombination stellt die Eigenschaften einer an ihrem 'äußeren Ende verankerten Feder zur Schau. Die Elastizität der Kombination bei etwas höherer Frequenz ist mit der Masse To₂ in Resonanz und veranlaßt diese, stark um die Welle 6 zu schwingen. Wenn das aufgedrückte Drehmoment Resonanz von To₁ und .S₁ hervorruft, wird die Bewegung der Masse W₂ praktisch auf Null mit dem Ergebnis herabgesetzt, daß die ganze Bewegung der Triebscheibe über die Getriebeeinrichtung nach der Büchse 8 übertragen wird. Wenn die zweite Art von Resonanz auftritt, folgt die Masse To₂ in Resonanz der synchronen, aufgedrückten Kraft so leicht, daß die ganze der Triebscheibe mitgeteilte Bewegung durch die Nebenschlußeinrichtung absorbiert wird. Die Bewegungen der übrigen Teile der Einrichtung stehen in ähnlicher Beziehung zu den Strömen in entsprechenden elektrischen Gliedern.

Die Siebkette der Abb. 4a hat ähnliche Kennzeichen wie diejenige der Abb. 3a, ist aber geeignet, die Wellenbewegung in der gleichen Weise zu transformieren, wie es ihr elektrisches Gegenstück tut. Die umlaufenden Büchsen 5, 15, 16, 17 und 18 und die verbundenen Glieder bilden die Reihenzweige der Einrichtung entsprechend den aufeinanderfolgenden Reihenabschnitten der elektrischen Leitung von links nach rechts zwischen den Klemmen 1 und 3' der Abb. 4. Entsprechende

Glieder sind durch gleiche Indizes in derselben Weise wie in Abb. 3 und 3a bezeichnet. Die Einrichtung m_e, S_e ist eine Reihenresonanznebenschlußkombination, deren Kennzeichen in Anbetracht der vorhergehenden Erläuterung klar sind. Die Feder S₉, welche die Reihenglieder 17 und 18 koppelt, ist eine andere und einfachere Nebenschlußelastizität, deren Beziehung zur Nebenschlußelastizität^g

to der Abb. 3 a auch leicht zu erkennen ist. Die verringerte, dem Widerstand^ entsprechende Abschlußimpedanz wird am leichtesten durch Herabsetzung der Stärke der Wirbelstromscheibe 13 erzielt, wodurch die Induktionshemmung entsprechend herabgesetzt wird.

Es sei nebenbei bemerkt, daß die Kegelradgetriebeverbindungen der Nebenschlußglieder die Winkelgeschwindigkeiten dieser Glieder . in dem Verhältnis von zwei zu eins herabsetzen und die Bewegungsrichtung zwischen aufeinanderfolgenden Reihenabschnitten umkehren. Diese Wirkungen sind die gleichen, wie in der elektrischen Einrichtung durch die Einführung eines Paares von gleichen, idealen Transformatoren vom Verhältnis zwei zu eins an jedem Nebenschlußzweig hervorgebracht werden würden. Sie sind unwesentlich mit Rücksicht auf die allgemeinen Eigenschaften der Siebketten, aber bei Anwendung von Siebkettenformeln zur Berechnung der Nebenschlußmassen und Elastizitäten muß das gebührende Zugeständnis für die Geschwindigkeitstransformierung gemacht werden.
Die Eigenschaft der Geschwindigkeitstransformierung der mechanischen Siebkette der Abb. 4 a wird nicht durch die Anwendung von herabsetzenden Getrieben erhalten, die nahezu idealen Transformatoren analog sind, sondern durch die Abänderung der elastischen und Trägheitskonstanten der Einrichtung im Einklang mit den oben angeführten Grundzügen. Die vorher aufgeführten Beziehungen zwischen den Koeffizienten der Glieder der Abb. 3 und 4 bleiben auch zwischen denjenigen der Abb. 3 a und 4a bestehen, wenn Massen für Induktanzen und Nachgiebigkeiten oder die reziproken Werte der Elastizitäten für Kapazitäten eingesetzt werden.

Es ist zu beachten, daß ein kennzeichnendes Merkmal der Nebenschlußglieder ihre Fähigkeit ist, etwas von der Geschwindigkeit eines Reihengliedes zu absorbieren, wodurch die Geschwindigkeit in einem nachfolgenden Reihengliede herabgesetzt wird. In den

S5 mechanischen Einrichtungen, die oben beschrieben wurden, nehmen die Reihen- und Nebenschlußimpedanzen gegenseitige Stellungen ein, die denjenigen der entsprechenden elektrischen Impedanzen sehr ähnlich sind, in anderen mechanischen Einrichtungen aber kann die Anordnung nur wenig Anklang an die übliche elektrische Anordnung haben. In solchen Fällen ist das oben bezeichnete Merkmal der Nebenschlußimpedanzen zu ihrer Unterscheidung yon Reihenimpedanzen dien-Hch.

Einrichtungen mit einheitli chen Werten des Übersetzungsverhältnisses

Die Einrichtungen der Abb. 5, 5a, 6 und 6a veranschaulichen die Anwendung gewisser Grenzwerte des Übersetzungsverhältnisses zum Zwecke der Verminderung der Anzahl der in einer gegebenen Siebkette erf orderliehen Impedanzglieder. Der Einfachheit halber sind in diesen Abbildungen die Signaturen elektrischer Einrichtungen verwendet worden, in Anbetracht der vorhergehenden Beschreibung aber ist es klar, daß sie ebenso Wellensiebketten für jede andere Bewegungsart bedeuten können.

Die Siebkette der Abb. 5 besteht aus zwei vollständigen geschlossenen Mittelreihenabschnitten bekannter Art und hat symmetrische Form, die sich zum Betriebe zwischen gleichen Abschlußimpedanzen eignet. Die volle Reiheninduktanz ist auf die volle Nebenschlußinduktanz L durch einen konstanten Faktor α bezogen, dessen Eigenart später be- _go schrieben werden soll. Die Siebkette kann zum wirksamen Betriebe zwischen ungleichen Impedanzen dadurch abgeändert werden, daß Transformierungen an den Abschnitten D-D' und ,F-F' entsprechend dem Verfahren bewirkt werden, das eben in Verbindung mit Abb. 3 beschrieben wurde. In diesem Falle werden die beiden Transformierungen durch Einsetzen von T-Schaltungen für die Nebenschlußinduktanz bewirkt, und zwar von Schaltungen, wie in Abb. 1 a dargestellt sind. Bezeichnet man dieÜbersetzungsverhältnisse bei D bzw. F durch Φ_Β bzw. Φρ, so werden die Ausdrücke für die Konstanten der Glieder in der abgeänderten Siebkette leicht erhalten. Der mittlere Reihenzweig enthält eine Kapazität, die der ursprünglichen Kapazität C entspricht, aber entsprechend dem Übersetzungsverhältnis Φ_ο abgeändert ist. Er enthält ferner eine Induktanz, die gleich der Summe n₀ der umgewandelten Induktanz, welche aL entspricht, und der Komponenten ist, die durch die eingefügten T-S chaltungen zugesetzt werden. Der Wert L_e dieser resultierenden Induktanz ist durch die Gleichung gegeben

und ist Null unter den Bedingungen, die durch die weitere Gleichung ausgedrückt werden

~ -βΦη + ΦηΦί¹

Durch eine richtige Wahl der Übersetzungsverhältnisse wird, wie in Abb. 5 a dargestellt, eine neue Anordnung erhalten, welche ein Glied weniger als die Schaltung der Abb. 5 aufweist, aber die gleichen Übermittlungskennzeichen wie diese Schaltung zusammen mit einem idealen Transformator mit einem Verhältnis Φ ο · Φρ hat.

Die beiden folgenden besonderen Fälle sind von Wichtigkeit.

Erstens, wo Φρ =z -^-. Der doppelte Abschnitt ist zum Betriebe zwischen gleichen Impedanzen geeignet, wobei das Übersetzungs-Verhältnis gegeben ist durch die Gleichung

Φη =

(6)

ao Zweitens, wo Φ ρ Eins ist. Nur eine Transformierung wird vorgenommen, das Übersetzungsverhältnis ist

ι + a

(7)

Drittens, wo Φ_Ρ = Φ_β. Dies bedeutet den Fall' einer gleichförmig verjüngten Leitung von ähnlichen Abschnitten. Für diesen Fall ist

Φη —

i. (8)

Die beiden durch die Plus- und Minuszeichen angegebenen Werte sind reziprok gleich, der eine entspricht einer fortgesetzten Stufe der Höhertransformierung von links nach rechts und der andere einer fortgesetzten Stufe von Tiefertransformierung. Eine Schwierigkeit tritt beim Abschluß einer Anordnung dieser Art auf, da "die letzte Stufe der Tiefertransformierung in dem Endreihenarm eine negative Induktanz beläßt, die groß genug ist, um nicht nur die natürliche volle Reiheninduktanz des Armes, sondern auch die Komponente auszugleichen, die durch eine weitere Transformierungsstufe hinzugefügt werden würde. Ein Mittelreihenabschluß würde daher die Anwendung eines Gliedes mit negativer Induktanz erfordern und könnte folglich in irgendeiner physikalischen Anordnung nicht hergestellt werden. Im allgemeinen jedoch würden nach einigen Stufen der Tiefertransformierung die tatsächlichen Größen der Reiheninduktanzen verhältnismäßig sehr klein sein, und die Glieder könnten ohne nennenswerten Einfluß auf die Übermittlungskennzeichen fortgelassen werden. In gewissen Fällen kann ein zusätzlicher Siebkettenabschnitt einer unterschiedlichen Art hinzugesetzt werden, bei welchem die Reiheninduktanz groß genug ist, um die negative Induktanz, die von der letzten Transformierung herrührt, auszugleichen. Zu einer Erörterung der die Verbindung von Siebkettenabschnitten verschiedener Arten beherrschenden Grundsätze wird auf den obenerwähnten Aufsatz von Zobel Bezug genommen.

Ein weiteres Beispiel zur Herabsetzung der Anzahl von Gliedern in einer Siebkettenschaltung wird durch Abb. 6 und 6a veranschaulicht, wobei die erste Abbildung einen zweiabschnittigen Mittelnebenschluß darstellt, und zwar als Abschluß einer Siebkette symmetrischer Anordnung, während die Abb. 6a die Anordnung darstellt, welche sich aus besonderen, an den Stellen G-G' und H-H' bewirkten Transformierungen ergibt. In diesem Falle ist eine Nebenschlußinduktanz ausgeschieden worden.

Die Bedingung für die Ausscheidung des Nebenschlußgliedes wird durch die Gleichung ausgedrückt

h —· ■— , (q)

^H

in welcher b das Verhältnis der vollen Reiheninduktanz der Abb. 5 zur vollen Nebenschlußinduktanz ist, und Φ_β bzw. Φ_Η sind die Übersetzungsverhältnisse an den Stellen G und H, In den beiden erläuterten Fällen sind die Faktoren α und b je gleich

AfI

fl-fl'

(10)

wobei /_t bzw. f₂ die unteren und oberen Abreißfrequenzen der Siebketten sind. Dies folgt aus einem Vergleich der Formeln für die Konstanten dieser Siebketten.

Die allgemeineren Bemessungsformeln des vorerwähnten Aufsatzes von Zobel zeigen, daß irgendein Reihenglied zu irgendeinem Nebenschlußglied der gleichen Art durch einen konstanten Faktor in Beziehung gesetzt ist, der nur von den Verhältnissen der Ab- *°5 reißfrequenzen in unendlicher Schwächung abhängt.

Die Siebkettenabschnittsarten, in deren Verbindung ein Impedanzglied ausgeschieden werden kann, sind in der Hauptsache die- n° jenigen, in denen entweder der Reihen- oder der Nebenschlußarm nur ein einziges Glied enthält. Es ist jedoch nicht notwendig, daß die verbundenen Abschnitte von der gleichen Art sind, wie in Verbindung mit der Be-Schreibung der Abb. 4 gezeigt wurde. Wenn die Siebkettenabschnitte ungleicher Art sind, kann ein α oder b entsprechendes Verhältnis aus den Koeffizienten der vervollständigten Siebkette in ihrer Bemessung für symmetrisehen Abschluß gefunden und das richtige Verhältnis daraus errechnet werden.

Anwendung der Erfindung auf lautsprechende Telephone

Abb. 7, 8 und 9 veranschaulichen ein lautsprechendes Telephon, bei welchem die Erfindung zum Zwecke der Verbesserung sowohl der Wirksamkeit als auch der guten Beschaffenheit der Sprachwiedergabe zur Anwendung gekommen ist. Die allgemeinen Ziele bei der Bemessung von lautsprechenden Telephonen sind der Zahl nach zwei und sind etwa gleichwichtig. Die erste Aufgabe ist, in den Schallwellen eine vollkommene Wiedergabe der Wellenbewegungen des elektrischen Stromes zu gewährleisten. Die zweite ist, die Umsetzung sämtlicher elektrischer Energie in Schallwellenenergie durchzuführen. Die Erzeugung von Schallwellen geschieht am wirkungsvollsten durch eine mechanische Vorrichtung, welche Verschiebungen der Luft bewirkt, und es ist infolgedessen üblich, die elektrischen Wellen in eine vermittelnde mechanische Bewegung umzuwandeln. Die Erlangung hohen Wirkungsgrades bei den beiden Umsetzungen erfordert, daß die Impedanz an einem Ende der mechanischen Einrichtung derjenigen der elektrischen Einrichtung und die Impedanz am anderen Ende derjenigen der akustischen Einrichtung gleicht.

Allgemein muß irgendeine Art Transformierungsanschluß in der mechanischen Einrichtung benutzt werden; mit praktischen Werkstoffen und Anordnungsformen ist es aber außerordentlich schwierig, wenn nicht unmöglich, einen Mechanismus dieser Art herzustellen, dessen Bestandteile bei Frequenzen innerhalb des Sprachbereiches nicht in Resonanz kommen. Mittels der Erfindung werden die Trägheiten und Elastizitäten der mechanischen Teile so bemessen, daß sie als eine Bandsiebkette" mit einer genügenden Breite des Übermittlungsbandes zusammenarbeiten, um alle für die beste Wiedergabe benötigten Frequenzen einzuschließen und auch auf eine wirksame Weitergabe der Energie hinzuwirken, welche Wellentransformierung auch immer benutzt wird.

Die mechanische Bewegungseinrichtung enthält zwei Gruppen von Gliedern, deren eine Torsionsschwingungen und deren andere Longitudinalschwingungen überträgt. Die erste Gruppe enthält eine leichte, aber verhältnismäßig starre Welle 20, an deren einem Ende ein abgeglichener Magnetanker 19 in der Form eines Doppelkeils befestigt ist. Das andere Ende der Welle ist an einer rechtwinkligen Querschiene 22 befestigt. Die Welle 20 wird auf einem keilförmigen Blockzapfen getragen, dessen scharfe Kante mit einer länglichen V-förmigen Nut in Eingriff steht, die in der Mittellinie der Welle eingeschnitten ist. Der Winkel der Nut ist wenig größer als der Winkel des Blockzapfens, so daß eine begrenzte Winkelbewegung möglich ist. Der Block wird von dem Grundgestell 24 getragen, das einen Teil des festen Grundgestelles des Apparates bildet. Um die Welle an ihrer Stelle festzuhalten, ohne daß sie mit ihrer Drehbewegung interferiert, ist der mittlere Teil des V-förmigen Blockes ausgeschnitten, und ein leichter steifer Draht 25, der über zwei Bohrungen in den Endteilen " des Blockes verläuft, steht mit einer Öse in Eingriff mit dem Gewindestift 26, der an der Welle befestigt ist. Der Bewegung, des Ankers und der Welle wird durch ein Paar von Druckblattfedern 27 Widerstand geleistet, die an einem Ende an der Querschiene 22 und an ihren anderen Enden am Grundgestell 24 befestigt sind.

Die zweite Gruppe von Teilen, bei denen die Bewegung longitudinal ist, enthält die Empfängermembran 30 und den Spinnenaufsatz 31, dessen Zehen mit der Membran vernietet sind. Zweck des Spinnenaufsatzes ist, die treibende Kraft der Membran in solcher Weise aufzudrücken, daß sie sich nahezu gleichförmig über ihre ganze Fläche bewegt, so daß sie gleichsam wie ein starrer Kolben auf die Luft in der Kammer 29 wirkt. Da dieses Glied so leicht als möglich gemacht werden muß, ist es schwierig, eine Nachgiebigkeit bei ihrer Herstellung zu vermeiden, und es ist praktisch, die Elastizität so zu bemessen, daß sie mit den Elastizitäten der übrigen Glieder zusammenarbeitet, um eine gewünschte Übermittlungskennlinie hervorzubringen. Die Luft in der Kammer 29 vor der Membran bildet auch ein Glied dieser Gruppe. Die Form der Kammer ist derart, ".daß die ioo Elastizität des Luftkörpers ihre vorherrschende Eigenschaft ist. Die Membran wird derart hergestellt, daß sie soweit als möglich wie ein luftdichter reibungsloser Kolben von vernachlässigbarer Masse wirkt. Zu diesem Zweck wird sie aus dünner Aluminiumfolie hergestellt und mit kreisförmigen Riefelungen versehen, um ihr Starrheit zu geben. Die Kante der Membran ist auf die Ränder der Luftkammer festgeklemmt, und zwar durch einen Klemmring 32, der auf diese Weise Luftdichtigkeit gewährleistet, aber gleichzeitig einen kleinen Widerstand gegen Bewegung einführt, die von der Elastizität der Membran herrührt. Die beiden Gruppen sind durch die gewinkelte Stange 28 verbunden, deren eines Ende mit der Mitte des Spinnenaufsatzes 31 vernietet ist, während das andere Ende mit dem Ende der Querschiene 22 starr verbunden ist. Die Stange 28 wirkt nebenbei als ein Mittel zur Umwandlung von Drehbewegung in Längsbewegung, indem der ge-

IO

bogene Abschnitt jeder Stange eine elastische Verbindung zwischen den beiden Gruppen von Gliedern schafft.

Die elektrischen und die mechanischen Einrichtungen sind elektromagnetisch gekoppelt. Der Anker 19 ist zwischen zwei U-förmigen Polstücken 21 eines Dauermagneten 33 angeordnet und wird für gewöhnlich durch die Federn 27 in einer gegenüber allen vier Polflächen symmetrischen Stellung gehalten. Um den Anker herum, ohne daran befestigt zu sein, liegen die Erregerwicklungen 34, durch welche die Sprechströme fließen. Eine elektrische Stromquelle 35 liegt in dem Stromkreise; ihr innerer Widerstand ist durch den Widerstand 36 dargestellt. Die Verbindung zwischen der Quelle 35 und den Spulen 34 enthält elektrische Siebkettenglieder 37 und 38.

Die abschließende Belastung an dem akustischen Ende der Einrichtung ist ein Verstärkungstrichter 39, von dem nur der Hals veranschaulicht ist. Der Trichter, den man vorzugsweise benutzen sollte, ist in der britischen Patentschrift Nr. 213 528 und auch durch N a η η a und S 1 e ρ i a η in »The Function and Design of Horns für Loud Speakers« beschrieben, und zwar in »Transactions of American Institute of Electrical Engineers« vom März 1924. Der Vorteil dieses Trichters ist, daß er eine konstante und rein zerstreuende Belastung bei allen, aber sehr niedrigen Frequenzen für Druckkräfte bietet, die ihm aufgedrückt werden, d.h. er ist analog einer konstanten Widerstandsbelastung in einem elektrischen Stromkreis.

Um eine wirksame magnetische Anordnung abzugeben, ist es notwendig, daß die Luftspalte zwischen dem Anker 19 und den PoI-flächen klein sind, so daß infolgedessen die Bewegung des Ankers auch auf winzige Verstellungen beschränkt ist. Dieser Teil der Bewegungseinrichtung muß deshalb starr sein oder mit anderen Worten eine hohe Impedanz haben. Die Eingangsimpedanz eines Trichters liegt im allgemeinen beträchtlich tiefer als die des Ankers, und die Bewegungseinrichtung wird im allgemeinen deshalb darauf einzurichten sein, daß sie die Impedanz herunterstuft. In der veranschaulichten Einrichtung ist das allgemeine Impedanzverhältnis dasjenige, das sich aus den einzelnen Zwischentransformierungen ergibt, deren jede die wirksamere Kopplung aufeinanderfolgender Glieder zum Gegenstand hat, um sie zu befähigen, richtig als Glieder einer gleichförmigen Siebkette zu wirken.

Bemessungsverfahren

Das Verfahren der Anwendung der Erfindung auf die Bemessung der Einrichtung wird leichter verständlich, wenn man auf die Abb. 10 und 11 Bezug nimmt, welche die gleichwertigen elektrischen Stromkreise, darstellen. In Abb. 10 sind die Masse jedes mechanischen Gliedes durch ein Induktanzsymbol und die Elastizitäten durch Kapazitätssymbole bezeichnet. Die wirksame Masse jedes Gliedes ist durch den Buchstaben m mit einem Zahlenindex bezeichnet, welcher der Bezugsziffer entspricht, die zur Bezeichnung des Gliedes in Abb. 7, 8 und 9 benutzt wurde. Die Elastizitäten sind in einer ähnlichen Weise, und zwar mit S bezeichnet. Der akustische Teil" der Einrichtung ist durch die Nebenschlußelastizität S_i9 und den Trichterwiderstand i?₃₉ dargestellt, die beide über einen Transformator 40 miteinander gekoppelt sind. Dieser stellt die Transformierungswirkung der Verbindung zwischen der weiteren Luftkammer 29 und der engen Öffnung des Trichters dar. Die Massen- und Elastizitätskoeffizienten, welche sich auf die Glieder beziehen, in welchen die Schwingungsbewegung linear ist, sind die linearen Koeffizienten, welche abgeändert sind, um sie in Gleichförmigkeit mit den Koeffizienten derjenigen Glieder zu bringen, welche eine winkelförmige Bewegung haben. Die linearen Massen werden mit dem Quadrate des Abstandes vom Mittelpunkt der Welle 20 nach der Mittellinie der linearen Bewegung multipliziert, um die gleichwertigen Winkelmassen zu ergeben. Die linearen Elastizitäten werden durch den gleichen Faktor dividiert. Die linearen Verschiebungen sind gleich den Winkelverschiebungen multipliziert mit dem Radius, und die linearen Kräfte sind gleich den Torsionsmomenten dividiert durch den Radius.

Das Element 41 stellt die Kopplungsimpedanz zwischen den elektrischen und den mechanischen Einrichtungen dar. Die Theorie dieser Art von Kopplung ist durch R. L. W e g e 1 in »Theory of Telephone Receivers« im Journal of A. I. E. E., Band XL No. 10 vom Oktober 1921 gegeben. Die Kopplungsimpedanz wird als das Verhältnis von Kraft in der mechanischen Einrichtung zu dem Strom in der elektrischen Einrichtung festgelegt, und umgekehrt als das Verhältnis der rückwirken- no den EMK in der elektrischen Einrichtung zu der Geschwindigkeit in der mechanischen Einrichtung. Die beiden Verhältnisse sind leich und haben den gleichen Wert bei allen Frequenzen, sind aber von entgegengesetztem ng Vorzeichen.

Die Elastizität S₁₉ stellt die Steuerung des Ankers dar, die von der Anziehung der Dauermagnetpole herrührt. Wenn der Anker sich in einer mittleren Lage befindet, sind die Anziehungen von allen vier Polflächen ausgeglichen, wenn er aber um ein geringes ver-

lagert ist, sind die anziehenden Kräfte in den schmäleren Luftspalten angewachsen und haben in den größeren Luftspalten abgenommen; das Ergebnis ist eine unabgeglichene Kraft, welche die Verstellung zu steigern sucht. In einer magnetischen Einrichtung der beschriebenen Art ist das von dem Feld herrührende Drehmoment im wesentlichen proportional zur Winkelverstellung des Ankers, to Das Verhältnis des Drehmomentes zu der Verstellung ist deshalb von der Eigenart einer negativen Elastizität. Der Wert von ^₁₉ kann gleichgesetzt werden mit

wobei A der Flächeninhalt jeder Polfläche und / die gewöhnliche Luftspaltlänge sind; β ist der Abstand von der Mitte des Ankers

ao zur Mitte der Polflächen und B ist die Flußdichte des permanenten Magnetflusses in dem Luftspalt.

Abb. 11 stellt die gleichförmige Bandsiebkette dar, welcher die Abb. 10 möglichst gleichwertig ist; dies soll besagen, daß die Einrichtung so getroffen werden kann, daß sie alle die Kennzeichen der Bandsiebkette der Abb. 11 aufweist, wenn die Glieder der Abb. 10 richtig bemessen sind. Es sei bemerkt, daß Abb. 11 zwei Transformatoren 42 und 43 enthält; diese sind ideale Transformatoren, welche mit ihren zugehörigen Nebenschlußelastizitäten in Abb. 10 durch T-Schaltungen von Elastizitäten ersetzt sind, welche im Einklang mit den in Abb. la dargestellten Werten bemessen sind. Die erste Transformierung wird eingeführt, um zu ermöglichen, daß die reale negative Elastizität ,S₁₉ in der Siebkette verkörpert wird. Bei der Bemessung von elektrischen transformierenden .Siebketten wurde ausgeführt, daß die negativen Zweige transformierender Schaltungen nicht gesondert in irgendeinem physikalischen Aufbau darstellbar wären; infolgedessen sind bei den möglichen Übersetzungsverhältnissen gewisse Grenzen gezogen. In diesem Falle ist die negative Elastizität wirklich vorhanden und kann als ein tätiges Siebkettenglied benutzt werden. Wenn diese transformierende T-Schaltung der Abb. 10 in Abb. 11 durch die Kombination eines idealen Transformators und einer Nebenschlußelastizität ersetzt wird, muß notwendigerweise in jedem anliegenden Reihenarm eine zurückbleibende positive Elastizität belassen werden, um die richtigen Kennzeichen einer Bandsiebkette aufrechtzuerhalten.

Der Abschnitt der Abb. 11 zwischen den Linien /-/' und K-K' enthält die Kopplungsimpedanz und zwei Reihenimpedanzen. Auf der mechanischen Seite ist die Reihenimpedanz durch eine Masse hergestellt, die durch I m_q bezeichnet ist, und durch eine Elastizität, die mit -¹, vS",, benannt ist. Dies sind Teile der Ankermasse »₁₉ bzw. der zurückbleibenden positiven Elastizität des Reihenzweiges der Siebkette; ihre Bruchwerte sind soweit unbestimmt. Die elektrische Impedanz schließt eine Induktanz -}, L_n und eine Kapazität 2 Cp ein, die in ähnlicher Weise auf die Glieder L_&i und C₃₈ bezogen sind. Die Größe der mechanischen Impedanz ist durch pM bezeichnet, deren Faktoren gegenwärtig atich unbestimmt bleiben können. Die Impedanzen der Reihenarme des Abschnittes können durch die verallgemeinerten Impedanzsymbole }_{ Z₁, bzw. |- Zp bezeichnet werden.

Es folgt aus den von W e g e 1 in der obenerwähnten Literaturstelle gegebenen Gleichungen, daß die richtigen Impedanzen, bei denen der Abschnitt reflexionsfrei abgeschlossen sein würde, gegeben werden durch die Gleichungen

(12)

■ρ² M-

Ze ist die Impedanz auf der elektrischen Seite undZ_m die Impedanz auf der^nechanischen Seite.

Wenn Z_v und Z_q linear bezogen sind, ist der Faktor p als das Verhältnis bestimmbar

P =

in welchem Falle die abschließenden Impedanzen

— M

(13)

Z_m =

Die Impedanzen Z_e und Z_m haben die gleiche Form wie die wiederholende Mittelreihenimpedanz der sogenannten »JC-Konstanten-Art« der durch Campbell und durch Zobel beschriebenen Bandwellensiebkette, d. h. einer Siebkette, in welcher das Produkt der Reihen- und Nebenschlußimpedanzen bei allen Frequenzen konstant ist. Es folgt deshalb, daß der Abschnitt bei /-/' und K-K' an Mittelreihen angeschlossen werden kann, die zum Abschluß von fe-Konstantensiebketten dienen und die gleiche Art von Reihenimpedanzen haben, wie Z_p oder Z₁₇. In dem Aufsatz von Zobel ist ausgeführt, daß gewisse andere Arten von Siebketten, die nicht von der £-Konstantenart sind, ebenso an fe-Konstantenabschnitte angeschlossen werden können; eine Hauptbedingung ist nur, daß die Reihenimpedanzen von der gleichen Art sind, wenn der Anschluß "zwischen Abschnitten im Mit-

telreihenabschluß gemacht werden soll. Bei der veranschaulichten Einrichtung ist die Art des benutzten Siebkettenabschnittes zum Anschluß an den έ-Konstantenkopplungsabschnitt geeignet. Der Faktor/)² bedeutet offensichtlich ein Übersetzungsverhältnis, da er aber das Verhältnis von mechanischer zu elektrischer Impedanz betrifft, ist er keine reine Zahl. Der Faktor M ist der Kraftfaktor für eine symmetrische Einrichtung, in welcher die Transformierung Eins ist.

Daß der Kopplungsabschnitt die Übermittlungskennzeichen auch ähnlich denjenigen einer Bandsiebkette hat, kann aus der Betrachtung seiner physikalischen Eigenschaften ersehen werden, wenn er in der Impedanz Z_e und Z_m endigt. Wenn die Reihenimpedanz \Z_P nur reine Reaktanzen enthält, kann Z_c und Z_1n bei verschiedenen Frequenzen entweder reine Reaktanz oder reiner Widerstand, aber nicht zusammengesetzt sein. Es kann keine Energie in die Einrichtung eintreten oder hindurchfließen, wenn Z_e und Z_m rückwirkend sind; infolgedessen müssen die durchgehenden Bandfrequenzen diejenigen sein, für welche Z_t, und Z_1n reine Widerstände sind. Die Grenzfrequenzen des Übermittlungsbandes sind gefunden worden zu

/ 1

2 7t

m²q

mq

f» = —

" 2

ι ίι /Μ²ρ

',π \γ m'²q

²q mq

mq

Mq

m'^z q

Die halben Reihenimpedanzen der Siebkettenabschnitte, welche mit dem Koppelabschnitt verbunden sind, bestehen auf der elektrischen Seite aus der Kapazität 2 C'_p und der Induktanz i Lp und auf der mechanischen Seite aus der Masse | m'_q und der Elastizität \ S'_q Diese Größen sind auf die entsprechenden Koeffizienten der Kopplungsabschnittreihenzweige durch Faktoren bezogen, die nur das Verhältnis der Grenzfrequenzen mit sich bringen. Die Gesamtkoeffizienten der elektrischen Reihenzweige müssen offenbar gleich sein mit C₃₈ und L₃₄; auf der mechanischen Seite muß die Summe der Massen derjenigen des Ankers gleichen, und die Gesamtelastizitat muß der zurückbleibenden positiven Elastizität gleich sein. Für die besonderen Arten des benutzten Siebkettenabschnittes werden die folgenden Beziehungen gefunden:

— m

_q -ϊ- m_q + c· /1 ~r ta

(15) wobei S₁. die zurückbleibende positive Elastizität des mechanischen Reihenzweiges ist.

Der Kraftfaktor pM für den magnetischen Aufbau, der dargestellt ist, wird durch die Gleichung gegeben:

Die Faktoren B₃ A und I haben die gleiche Bedeutung wie in Formel (ii). Der Faktorei bezeichnet den Bruch des Gesamtflusses der Erregerspulen, der in den Polluftspalten wirksam ist. Unter Berücksichtigung der Tatsache, daß f das Verhältnis zwischen m_q und L_p angibt, kann aus den Gleichungen (14) ein Ausdruck für die Bandbreite in Ausdrücken der negativen Elastizität und der Ankermasse gefunden werden, nämlich

'M²

Q~M' _

Die Bandbreite wird auf diese Weise vollständig durch die Abmessungen des magnetisehen Aufbaues bestimmt, und die Art der Bemessung der Teile, um eine große Bandbreite zu gewährleisten, ist angegeben. Die tatsächliche Anordnung des Bandes bleibt zu bestimmen. Dies kann geschehen durch Betrachtung der Beziehung, die zwischen den Elastizitäten ^₁₉ und 6*₂ο bestehen muß, um die Filterübertragungskenngröße aufrechtzuerhalten. Bei Anwendung der sich auf die Gleichwertigkeit der Abb. 1 und ia beziehenden Formeln auf die Koeffizienten der Abb. 10 und 11 hat man gefunden, daß

S₁₉ —S₁- —

Φι

wobei Φτ das Übersetzungsverhältnis des Transformators 42 ist. Aus der Formel für die Koeffizienten der Siebkettenabschnitte ist ferner gefunden worden, daß

2 f

^Z / 1

(19)

und folglich daß

<? f -4- f

5_äa + 5_1B = -|e-.Aii.. ₍₂₀)

Φτ Ti — 7 ι Ferner wurde gefunden, daß

n(fl-H) (21)

und schließlich aus Gleichungen (20) und (21)

S₂₀ + S₁

₍₂₂₎

Gleichung (22) zeigt, daß die Anordnung des Bandes bestimmt ist, wenn die Wellenelastizität vS^o, die Feldelastizität S_ia und die An-

kermasse M_q gegeben sind. Die Bandgrenzen sollten so gewählt werden, daß sie alle wesentlichen Sprechfrequenzen einschließen, die untere Grenze sollte theoretisch bei Null liegen, aber dies ist natürlich unpraktisch, da sich die ganze mechanische Einrichtung kontinuierlich unter dem Einfluß eines Gleichstromes bewegen müßte. Praktisch wird eine untere Frequenzgrenze von etwa ioo Perioden

ίο je Sekunde allgemein benutzt. Die Wahl der Bandgrenzen bestimmt die Elastizität ,S₂₀ der Welle 2o; das Übersetzungsverhältnis Φτ wird danach durch Gleichung (21) bestimmt. Die Koeffizienten der verbleibenden mechanischen Glieder werden auf die Ankermasse M_n und die Elastizität ^₂₀ in Ausdrücken des Übersetzungsverhältnisses Φγ> des Verhältnisses Φ_υ des Transformators 43 und des Faktors bezogen, der die Reihen- und Nebenschluß elastizität der Siebkette verbindet. Wenn die Reihenelastizitäten S₃₁", welche nach Abb. 11 der Masse m_sl des Spinnenaufsatzes zugeordnet ist, Null ist, muß das Übersetzungsverhältnis Φφ in der tatsächlichen Einrichtung einen besonderen derartigen begrenzenden Wert haben, wie man nach Abb. Sa und 6 a erhält. Der Wert von Φ υ wird gefunden zu

(23)

Die Ausdrücke für die Massen und Elastizitäten sind die folgenden:

S₂₇ = S₂₀ φ₇|.3£ι±^ + (ι-φ_γ/)

4 Γι

(24)

S₃₀ = Φ_ΓΦ*_Γ5_2ί

2' / 1

S₃₁ = <M>^s _rs_ao = ■£-&,„.

Die Kapazitäten und der elektrische Stromkreis können aus der Induktanz der Erregerspule 34 bestimmt werden durch die Gleichungen

— T .A.ür'²f

= 2 π² (fl— f i) Z₃₄.

(25)

Die primären Faktoren bei der Bemessung der Einrichtung sind dargestellt worden als die Winkelmasse m_q des Ankers, die Feldelastizität S₁₉ und der für die Kraftübertragung wirksame Bruchteil d des Gesamtfkisses der Erregerwicklungen. Die Winkelmasse Mq des Ankers wird am leichtesten aus ihren geometrischen Abmessungen bestimmt, geometrische Formeln aber für die übrigen beiden Faktoren werden sehr verwickelt, wenn hohe Genauigkeit verlangt wird. Diese Faktoren können mit Genauigkeit aus Impedanzmessungen an einem magnetischen System unter gewissen vereinfachenden Stromkreisanordnungen bestimmt werden.

Wenn man die Querschiene 22 festklemmt, so daß sie starr gehalten wird, so beschränkt sie die Bewegung der Einrichtung auf den Anker 19 und die Welle 20, was der öffnung des Stromkreises der Abb. 10 an der Verbindung von W₂₂ nach S₂₀ gleichwertig ist. Unter dieser Bedingung kann die Impedanz gegen eine wechselnde EMK, die unmittelbar auf die Klemmen der Spulen 34 aufgedrückt wird, als durch die Gleichung gegeben dargestellt werden

ς 4-9 (26)

wobei Rp bzw. L_P der wirksame Widerstand s₅ und die Induktanz der Spulen 34 sind und der Anker in seiner Normalstellung in Ruhe ist. Die Impedanz Z₁,' ist die Impedanz der Einrichtung, an den Spulenklemmen gemessen, oder der scheinbare Widerstand der _go Spule, wenn der Anker in Bewegung ist. Wenn die Impedanz bei einer größeren Anzahl von Frequenzen, die einen breiten Bereich überdecken, gemessen wird, wird ein Resonanzwert gefunden, der der Resonanz der Ankermasse Ot₂ und der resultierenden Elastizität 6"_le -\- S^ entspricht. Wenn diese Resonanzfrequenz durch f_a bezeichnet wird, wird die resultierende Elastizität ausgedrückt durch

^si9 + S₂₀ = 4 π² fl · m_q . (27)

Ähnliche Messungen, die mit abgenommenem Dauermagneten gemacht werden, so daß die Feldelastizität ^₁₉ vernachlässigbar klein ist, bestimmen die Frequenz, bei welcher die Masse des Ankers mit der Elastizität der Welle in Resonanz ist. Bezeichnet man diese Frequenz durch f_b, die größer als f_a ist, so kann der Ausdruck für die Wellenelastizität geschrieben werden als

S₂₀ =4 π² f * «V (28)

Die Bestimmung dieser beiden Resonanzfrequenzen ergibt sowohl die Elastizität S₁₉ als auch ,S₂₀. Es sei bemerkt, daß die Frequenz f_a nach der Gleichung (22) die Mittelfrequenz des Übermittlungsbandes ist, praktisch Hegt sie allgemein zwischen 2000 und 3000 Hz.

Der Faktor b kann durch Vergleichen der scheinbaren Induktanz der Einrichtung, während der Anker in Bewegung ist, mit der In-

duktanz, während der Anker in seiner Mittelstellung in Ruhe ist, bei einer verhältnismäßig niederen Frequenz, vorzugsweise zwischen 400 und 800 Hz, gefunden werden. Um diese Induktanz zu bestimmen, muß der Anker in seiner gewöhnlichen Ruhestellung festgehalten werden. Wenn der Wert des .Kraftfaktors pM, der durch Gleichung (16) gegegeben ist, in Gleichung (26) eingesetzt wird, kann ein Ausdruck für den Faktor d gefunden werden, nämlich

d₌ τ—^L·

fl-f

(29)

in welcher L_p' die scheinbare Induktanz der Spule, abgeändert durch die Bewegung des Ankers, und f die Frequenz ist, bei welcher L₁,' gemessen wird.

Ein vorteilhaftes Merkmal des beschriebenen Aufbaues ist, daß die Steuerung der Einrichtung mittels der Federn 27, die in einem unterschiedlichen Abschnitt der Siebkette bewirkt wird, nichts zur Masse des Ankers hinzufügt und deshalb die mögliche Bandbreite nicht herabmindert.

Diese Steuerung ist notwendig, um die Einrichtung in Gegenwart der negativen Elastizität des Feldes zu stabilisieren, und, wenn sie unmittelbar auf den Anker angewendet wird, wird eine unerwünschte Masse durch die Federn selbst und durch die Befestigungsmittel hinzugesetzt, so daß der Ubermittlungsbereich merklich herabgesetzt wird. Ferner erfordert die Auf wärtstransformierung zwisehen dem Anker und der Querschiene, daß deren Masse beträchtlich größer als diejenige des Ankers ist und so gestattet, daß die Einrichtung der Federsteuerung im wesentlichen bestimmt wird.

Claims

Patentansprüche:

i. Zusammengesetztes elektrisches und mechanisches System für die Übertragung eines Schwingungsfrequenzbandes, bei dem der elektrische Teil eine elektrische Siebkette bekannter Art und der mechanische Teil eine mechanische Siebkette bekannter Art aufweist und die elektrischen und mechanischen Teile durch eine elektromagnetische Einrichtung miteinander gekoppelt sind, bei der ein in den Erregerwicklungen fließender Wechselstrom entsprechende Kräfte auf einen beweglichen, durch ein überlagertes Magnetfeld polarisierten Anker ausübt, insbesondere zur Übertragung eines bestimmten Fre-' quenzbandes in einem Telephon mit einem polarisierten Anker, dadurch gekennzeichnet, daß die wirksame Ankermasse (mis), die als scheinbare negative Elastizität auf den Anker wirkende Kraft des polarisierenden magnetischen Feldes (S_ia), die Elastizität der· Ankerachse (S₂₀) und der für die Kraftübertragung wirksame 6g Bruchteil (d) des Gesamtflusses der Erregerwicklungen in Abhängigkeit von den Grenzen (f_v f₂) des zu übertragenden Frequenzbandes ■ nach den Formeln bemessen sind ·

-Ί9

π~ -m,

^J19

H~
2. System nach Anspruch 1, bei dem eine elastische Steuerung (Federn 27) vorgesehen ist, um die labile Wirkung des Polarisationsfeldes zu überwinden, dadurch gekennzeichnet, daß die elastische Steuerung in einer Stufe des mechanischen Filters ausgeführt wird, die auf die Stufe folgt, welche den Anker aufweist.
3. System nach Anspruch 1 oder 2 in Anwendung an einem Schallwiedergabeapparat in Gestalt eines Lautsprechers, bei dem der mechanische Teil des Systems eine Gruppe von Elementen aufweist, welche von der elektromagnetischen Einrichtung angetrieben werden und Torsionsschwingungen ausführen und ferner eine zweite Gruppe von Elementen, welche lineare Schwingungen ausführen und die Schwingungen auf die Membran des Lautsprechers übertragen, dadurch gekennzeichnet, daß die Kopplung der beiden Elementengruppen durch einen biegsamen gebogenen Arm (28) erfolgt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen