DE596390C

DE596390C - Electrostrictive sound reproducer

Info

Publication number: DE596390C
Application number: DESCH97758D
Authority: DE
Original assignee: GEORG STRUTH DR
Current assignee: GEORG STRUTH DR
Priority date: 1932-05-11
Filing date: 1932-05-11
Publication date: 1934-05-02

Description

Gegenstand vorliegender Erfindung ist ein Schallgeber, .der seine Wirkung, anders als die bisher bekannten elektrostatischen Schallgeber, die eigentlich tönende Kondensatoren mit schwingender Belegung darstellen, auf - den mit lokalen und zeitlichen Feldänderungen parallel gehenden Volum- und Druckänderungen der dielektrischen Schicht aufbaut. The subject matter of the present invention is a sound generator, the effect of which is different from the previously known electrostatic sounders, the actually sounding capacitors with oscillating occupancy, on - with local and temporal field changes parallel volume and pressure changes of the dielectric layer builds up.

Man war bisher, unter Nichtbeachtung oder auch in Nichtkenntnis der Brauchbarkeit solcher .dielektrischen Wirkung, immer bemüht, .die auf Abstoßung oder Anziehung beruhende. Membranwirkung der leitenden Belegung möglichst weit auszubilden.So far, one has been ignoring or not knowing its usefulness such .dielectric effect, always endeavoring, .the one based on repulsion or attraction. To develop the membrane effect of the conductive coating as much as possible.

- Die Masse dieser meist metallischen Belegung ist aber immer relativ groß, denn sie muß .als gespannte Membran genügend Festigkeit haben; es sind also, wenn die erreichbaren Membranamplituden nicht klein bleiben sollen, große Flächen und damit große Distanzen zwischen den beiden Belegungen nötig. Das erfordert große Potentialamplituden, der Speiseenergie und, da immer Vorspannung erforderlich, große Vorspannungspotentiale (1000 Volt und mehr). Die große gespannte Membran macht den Aufbau teuer; sie erfordert sehr viel Energie, und solche Lautsprecher eignen sich deshalb für mittlere und kleine Empfänger überhaupt nicht.- The mass of this mostly metallic coating is always relatively large because it must .as a tensioned membrane have sufficient strength; So there are when the achievable Membrane amplitudes should not remain small, large areas and therefore large Distances are necessary between the two assignments. This requires large potential amplitudes, the feed energy and, since bias is always required, large bias potentials (1000 volts and more). The large tensioned membrane makes the construction expensive; it requires a lot of energy, and such loudspeakers are therefore suitable for medium-sized speakers and small receivers not at all.

Die große Vorspannung ist nötig, um Membran und Belegung zu polarisieren. Man hat auch versucht, der schwingenden Belegung das Schwingen auch bei festem Dielektrikum (statt Luft) zu ermöglichen, indem man als weiches, elastisches Dielektrikum Gummi nahm und die feste Belegung mit Vertiefungen und Löchern versah. Aber auch hier hat man nicht erkannt, daß im Dielektrikum selbst Druckänderungen, welche akustisch wirksam werden konnten, entstehen und deshalb die Vertiefungen und Lochungen nur mit der Absicht, angebrächt, der schwingenden Belegung das membranartige Schwingen über diesen Vertiefungen zu ermöglichen. Für eine Auswertung der dielektrischen Druckänderungen war die Art der Lochung unzweckmäßig. The great bias is necessary to polarize the membrane and the coating. One has also tries to prevent the vibrating occupancy from vibrating even with a solid dielectric (instead of air) by using rubber as a soft, elastic dielectric took and provided the fixed occupancy with depressions and holes. But also here has it is not recognized that pressure changes, which could be acoustically effective, arise in the dielectric itself and therefore the depressions and perforations only with the intention of making them swinging Allocation to enable the membrane-like swinging over these depressions. For an evaluation of the dielectric pressure changes, the type of perforation was inappropriate.

Es ist hier bestenfalls der kleine Teil des Dielektrikums wirksam gewesen, der auf den Rändern der Viertiefungen lag, und zwar ohne Willen und Wissen der Urheber der bekannten Ausführungen.At best, the small part of the dielectric acting on the The edges of the four wells lay, without the will or knowledge of the authors of the known Executions.

Die Wirkung des neuen Schallgebers beruht auf bewußter Anwendung der Volum- und Druckänderungen der Dielektrika im Kondensatorfeld bei Änderungen der Feldwerte bei entsprechend konstruktiver Ausbildung einer oder beider Belegungen.The effect of the new sounder is based on the conscious use of the volume and Changes in pressure of the dielectrics in the capacitor field with changes in the field values according to the constructive training of one or both assignments.

Die Volumarbeit des Dielektrikums stellt das Äquivalent für die den Elektroden zugeführte Energie dar und kann deshalb bei voller, durch passende Systemausbildung ermöglichter Entfaltung eine fast volle Umsetzung der elektrischen Potentialimpulse in akustische Druckimpulse erreichen lassen, und zwar, weil aperiodisch arbeitend, klangtreu.The volume work of the dielectric represents the equivalent for that supplied to the electrodes Energy and can therefore be made possible with full, through appropriate system training Allow development to achieve an almost full conversion of the electrical potential impulses into acoustic pressure impulses, and True to the sound, because it works aperiodically.

Solche Volum- und Druckänderungen der Dielektrika sind wohl in anderem Zusammenhang schon beobachtet und als Elektrostrik-Such changes in volume and pressure of the dielectrics are probably in a different context already observed and as Elektrostrik-

tion bezeichnet worden. Ähnliche Erscheinungen sind in der Umkehrung unter dem Namen »piezoelektrisch« bekannt, aber diese Beobachtungen sind wenig bekannt, führen ein fast vergessenes Dasein, und bewußte Anwendungen der Elektrostriktion sind nicht bekannt. Es mußte auch erst, wie mit der Erfindung gezeigt wird, durch konstruktive Maßnahmen eine brauchbare Entfaltung ermöglicht werden.tion has been designated. Similar phenomena are in the reverse under the The name "piezoelectric" is known, but little is known about these observations an almost forgotten existence, and conscious applications of electrostriction are not known. It also had to first, as shown with the invention, by constructive Measures a useful development are made possible.

Fig. ι zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel des neuen Schallgebers A-B. Fig. Ι shows a first embodiment of the new sounder AB.

Hier sind beide Belegungen als starre Stabgitter A-B (Stabroste) ausgeführt, die Stabhöhe ist so groß, daß das Gitter als starrer Körper gelten kann, z. B. 6 bis 10 mm Stabhöhe bei ι bis 2 mm Dicke. Wichtig ist die richtige Wahl der Spaltbreite. Dies läßt Fig. 2 a erkennen. Das Gitter ruft an allen Schmalseiten und Kanten der Belegungen stark erhöhte Felddichten hervor. Es erzeugt auf der ganzen Fläche die sonst nur an dem Außenrande einer Völlplanbelegung vorhandene größere Felddichte an zahlreichen Stellen. Damit aber genügend Ladungsfiäche vorhanden ist, muß schon deshalb die Spaltbreite klein sein; dann bewirkt aber eine kleine Spaltbreite, wie Fig. 2 b besonders deutlich am Rundstabgitter erkennen läßt, eine noch wesentliche Vergrößerung der Felddichtendifferenzen in der Fläche. Die punktierten Linien stellen hier die Feldverformung dar und zeigen, daß das beim freien Rundstab kreisförmige Feld beim Gitter oval oder spitz wird.Here both assignments are designed as a rigid bar grating AB (bar grids), the bar height is so large that the grid can be considered a rigid body, e.g. B. 6 to 10 mm rod height with ι to 2 mm thickness. It is important to choose the right gap width. This can be seen in Fig. 2a. The grid causes strongly increased field densities on all narrow sides and edges of the coverings. It generates the larger field density in numerous places that is otherwise only present on the outer edge of a full plan. In order for there to be enough charge area, the gap width must be small; but then a small gap width, as can be seen particularly clearly in FIG. The dotted lines represent the deformation of the field and show that the field, which is circular in the case of the free round rod, becomes oval or pointed in the grid.

Es werden deshalb im Gitter nach Fig. 1 Spaltbreiten von 0,25 bis höchstens 1 mm verwendet. Therefore, in the grid according to FIG. 1, gap widths of 0.25 to a maximum of 1 mm are used.

Diese Feldverformung als Folge der abstoßenden Kraft der auf den Spaltflächen befindlichen Ladung bringt bei Speisung der beiden Gitter mit Wechselstrom zunächst folgende Wirkung mit sich: Nimmt das Potential ab, so nimmt die Ladungsdichte in den die Fläche bildenden Zonen nicht nur proportional ab, sondern um den Betrag mehr, der infolge der abnehmenden Abstoßung auf die Spaltfläche abfließt. Umgekehrt bei Zunahme, d. h. eine gegebene Amplitude der FeIddichtenänderung wird beim Gitter mit weniger Speiseenergie erreicht als bei einer Vollplanbelegung. Da nun die elektrostriktive Volumänderung des Dielektrikums mit dem Quadrat der Felddichte proportional ist, gibt ein solches Spaltgitterpaar bei festen Dielektrika schon Lautstärken, die bei Vollplanbelegungen auch nicht annähernd erreichbar sind. Da beide Gitter starr sind, 'das Dielektrikum D fest ist, kann hier keine Membran-So wirkung im üblichen Sinne vorhanden sein. Als Dielektrika sind verwendbar: Papier, Glimmer und besonders solche, welche bei großer Dielektrizitätskonstante kleinen Elastizitätsmodul haben.This field deformation as a result of the repulsive force of the charge on the cleavage surfaces initially has the following effect when the two grids are fed with alternating current: If the potential decreases, the charge density in the zones forming the surface does not only decrease proportionally, but around the The amount more that flows off onto the cleavage surface as a result of the decreasing repulsion. Conversely, if there is an increase, ie a given amplitude of the change in field density, less feed energy is used in the grid than in the case of a full plan occupancy. Since the electrostrictive change in volume of the dielectric is proportional to the square of the field density, such a pair of slit grids with solid dielectrics already gives volume levels that cannot even come close to being achieved with full plan occupancy. Since both grids are rigid, 'the dielectric D is solid, there can be no membrane effect in the usual sense. The following can be used as dielectrics: paper, mica and especially those which have a low modulus of elasticity with a high dielectric constant.

In dieser Form verlangt der Schallgeber relativ hohe Potentialamplituden, aber bei kleinen Coulombmengen; er erfordert also Speisung durch Transformatoren mit hoher Übersetzung. Denn, wie auch aus piezoelektrischen Erscheinungen bekannt, geben die festen Dielektrika bei relativ kleinen Volumänderungen schon hohe Potentiale, bei allerdings großen Druckwerten.In this form, the sounder requires relatively high potential amplitudes, but at small amounts of coulombs; so it requires power from transformers with high Translation. Because, as is also known from piezoelectric phenomena, they give solid dielectrics with relatively small volume changes already high potentials, but with large pressure values.

Als Vorspannung für das System nach Fig. ι genügen schon 150 bis 200 Volt, wenn die dielektrische Schicht dünn, etwa 0,03 bis 0,05 mm ist; besser sind aber etwa 300 Volt. Daß die von einer festen Wand ausgehende Druckamplitude auch bei sehr kleiner Volumamplitude große Schallwerte geben kann, zeigt die Tatsache, daß ζ. B. eine zwei Räume trennende Metallwand von 2 bis 3 mm Dicke, die also keine Membranschwingungen im üblichen Sinne ausführen kann, Schall von einem zum andern Raum fast ungeschwächt überträgt.Already 150 to 200 volts are sufficient as a bias voltage for the system according to FIG the dielectric layer is thin, about 0.03 to 0.05 mm; but about 300 volts are better. That the pressure amplitude emanating from a solid wall even with a very small volume amplitude can give large sound values is shown by the fact that ζ. B. a separating two rooms Metal wall 2 to 3 mm thick, which means that there are no membrane vibrations in the in the usual sense, sound from one room to another is almost unattenuated transmits.

Wenn in Fig. 1 die dielektrische Schicht dünn mit einer Halbleiterschicht bedeckt ist, erhält man bei gegebener Vorspannung und Potentialamplitude noch eine Erhöhung der Lautstärke. Auch poröse Dielektrika geben größere Lautstärken.If in Fig. 1 the dielectric layer is thinly covered with a semiconductor layer, with a given bias voltage and potential amplitude, an increase in the Volume. Porous dielectrics also give higher volume levels.

In den Spalten der Gitter ist eine große Kontaktfläche zur Luft gegeben.There is a large contact surface with the air in the gaps in the grid.

Durch die Vorspannung wird diese mit polarisiert, also schwingfähig. Es wäre offenbar wünschenswert, die Luft, als leicht bewegliches Dielektrikum, in noch größerem Umfang zu verwenden. Das Gitter, das ja infolge der in Fig. 2 dargestellten Feldverformung Schneiden-, bei nochmaliger Schlitzung, quer zum gezeichneten Spalt, Spitzencharakter hat, sollte auch für Luft eine erhöhte Wirkung erwarten lassen.The preload also polarizes it, so it can vibrate. It would be obvious desirable the air, as easily movable Dielectric, to be used on an even larger scale. The grid, yes as a result the field deformation shown in Fig. 2 cutting edge, with repeated slitting, across the drawn gap, has a tip character, should also have an increased effect for air can be expected.

Fig. 3 zeigt die erste hierfür aus Fig. 1 abgeleitete Form. Auf dem Gitter.B liegt ein einseitig z. B. durch Graphit leitend gemachtes Dielektrikum, Papier o. dgl. Die Graphitschicht C liegt auf B auf; P ist das Papier. D ist eine diente dielektrische Schicht, die das Papier schützt. (Ist P ein gegen die Vorspannung durchschlagfestes Papier, so genügt dies allein.) Hier haben C und B gleiches Potential, B dient also nur als Zuleiter. Dazu genügen aber wenige Stäbe oder der Leiter R, so daß C von B abgestoßen wird und die Vorspannung das Dielektrikum fest an A andrückt. FIG. 3 shows the first form derived from FIG. 1 for this purpose. On the grid.B is a one-sided z. B. by graphite made conductive dielectric, paper o. The like. The graphite layer C rests on B ; P is the paper. D is a served dielectric layer that protects the paper. (If P is a paper resistant to dielectric breakdown against the bias, this alone is sufficient.) Here C and B have the same potential, so B only serves as a feeder. A few rods or the conductor R are sufficient for this, so that C is repelled by B and the bias voltage presses the dielectric firmly against A.

Das Dielektrikum liegt auch bei den Feldpulsationen an A an, denn diese sind in ihrem Potentialwert immer viel kleiner als die Vorspannung. The dielectric is also applied to A during the field pulsations, because their potential value is always much smaller than the bias voltage.

Liegt Gitter B auf der Schicht C fest auf, so ist der Zustand für das Dielektrikum noch derselbe wie in Fig. i. Bei geringer Lüftung bildet sich zunächst ein Luftpolster zwi- -sehen B und C, für welches der Zustand ähnlich ist wie für das bewegliche Blatt eines Elektroskopes. Es bildet sich aber noch ein zweites zwischen A und D₁ denn die nach Fig. 2 a zonenweise auftretenden Feldverdichtungen bewirken im Dielektrikum eine Dehnung des Dielektrikums in der Richtung der Fläche, denn Gitterfläche und die vollplane Fläche C können nur die gleiche Ladung haben, die aber in der Gitterfläche zonenweise verdichtet ist.If grid B lies firmly on layer C , the state for the dielectric is still the same as in FIG. When there is little ventilation, an air cushion forms between B and C, for which the state is similar to that of the movable blade of an electroscope. But it forms also a second between A and D ₁ for the field compaction of Fig. 2 a zone occurring cause the dielectric an elongation of the dielectric in the direction of the surface, for grating surface and the fully planar surface C can only have the same charge, the but is condensed in zones in the grid area.

Sind nun die Spalten, so schmal, daß die dem Quadrat der Felddichten auf den Schmalflächen der Stäbe proportionale Dehnung des Dielektrikums nicht durch Stauchung zwisehen diesen Zonen aufgehoben werden kann, so wird die auf der Gitterseite größere Dehnung die Tendenz haben, das Dielektrikum so zu wölben, daß seine Konvexseite am Gitter liegt. Diese Verformung kann nur so eintreten, daß das Dielektrikum flache Wellen bildet, daß also dünne Luftschichten in ihnen zwischen Gitterfläche und Dielektrikum entstehen, wie sie in gleicher Sicherheit mittels konstruktiver· Maßnahmen, etwa gespannter Membran, nicht so dünn erzeugt werden können. Auf diese Schicht wirken aber die Gitterstäbe ähnlich wie Schneiden. So wird auch diese Luftschicht bei Potentialpulsen zu Druckpulsen erregt und somit wirksam als schallgebendes Dielektrikum.Are the gaps so narrow that the the square of the field densities on the narrow surfaces of the rods is proportional to the expansion of the Dielectric cannot be lifted by compression between these zones, so the greater strain on the grid side will tend to affect the dielectric to arch so that its convex side lies against the grid. This deformation can only be so occur that the dielectric forms flat waves, that is, thin layers of air in them arise between the grid surface and dielectric, as they are with the same security means Constructive measures, such as a tensioned membrane, cannot be made so thin can. However, the bars act on this layer in a similar way to cutting edges. So will This layer of air is also excited into pressure pulses by potential pulses and is therefore effective as a sound-generating dielectric.

Infolge der geringen Dicke der gesamten dielektrischen Schicht ist auch hier nur eine Vorspannung von 200 bis 300 A⁷OIt nötig, und der Schallgeber spricht in dieser Form schon ohne Transformierung mit guter Lautstärke an. Er erreicht Schalleistungen, für die elektrostatische Lautsprecher bekannter Form die 10- bis I2fache Fläche brauchen. Fig. 4 zeigt nun weitere Ausformungen inAs a result of the small thickness of the entire dielectric layer, only a bias voltage of 200 to 300 A ⁷ OIt is necessary here, and the sound generator responds in this form with good volume even without transformation. It achieves sound power levels for which electrostatic loudspeakers of known form need 10 to 12 times the area. Fig. 4 now shows further formations in

'45 der Verwendung der Elektrostriktion in Verbindung mit durch sie erzeugtem Luftpolster. A₁ B sind wieder die beiden gitterartigen Belegungen. F₁ F sind zwei Schichten aus festem Dielektrikum. C₁ C sind die leitenden Belegungen dieser Schichten, Graphit oder aufgeklebte dünne Metallfolie.'45 the use of electrostriction in connection with the air cushion it creates. A ₁ B are again the two grid-like assignments. F ₁ F are two layers of solid dielectric. C ₁ C are the conductive coverings of these layers, graphite or glued-on thin metal foil.

Wie die Schaltskizze zeigt, liegen beide Gitter je an einem Pol der Sekundärspule S eines Transformators T, dessen Primärspule im Röhrenkreis liegt.As the circuit diagram shows, both grids are each located on a pole of the secondary coil S of a transformer T, the primary coil of which is located in the tube circuit.

Die beiden leitenden Schichten C₁ C liegen am gleichen Pol eines Spannungsgebers, hier einer Trockensäule, deren anderer Pol zweckmäßig über' einen Widerstand R (10- bis 50 000 Ohm) an einem Gitter liegt, so über S auch das andere Gitter auf gleiches Potential ladend, ober bei B an Erde. (Da nur statische Ladung verlangt wird, kann auch die Anodenbatterie die Vorladung ohne Belastung geben.) Es bilden sich bei geringer Lüftung der Gitter von der festen Lage aus hier drei Luftschichten, eine zwischen C₁ C infolge der Abstoßung zwischen C₁ C und je eine dünne Schicht zwischen Gitter und Dielektrikum infolge der elektrostriktiven Verformung des Dielektrikums. The two conductive layers C ₁ C are at the same pole of a voltage generator, here a drying column, the other pole of which is conveniently connected to a grid via a resistor R (10 to 50,000 ohms), and the other grid is also at the same potential via S loading, above at B on the ground. (Since only a static charge is required, the anode battery can also give the pre-charge without any load.) With little ventilation of the grilles from the fixed position, three layers of air form here, one between C ₁ C as a result of the repulsion between C ₁ C and each a thin layer between the grid and the dielectric due to the electrostrictive deformation of the dielectric.

Befindet sich die zwischen C₁ C liegende Schicht in der Lage wie die auf Ladung gebrachte Nadel eines Quadrantenelektrometers, so wirken auf die infolge der wellenartigen Verformung des Dielektrikums aus flachen, dünnen Blasen bestehende Luftschicht die ähnlich wie an Schneiden verdichteten Ladungszonen. Pulsiert nun das Potential an A₁ B infolge der in ο* erregten Wechselimpulse, so werden diese drei Luftpolster mit den festen Dielektrika gleichsinnig erregt, die Wirkungen summieren sich, so daß dieses System auf noch kleinere Potentialamplituden anspricht als nach Fig. 3. So wird der Schallgeber auch für kleine Empfänger gut brauchbar; z.B. gibt ein so geschalteter Schallgeber an einem Empfänger mit einer Doppelröhre (Typ Te Ka De V T 126, 6 mA Anodenstrom) bei einer Empfangsenergie, die nicht für Detektorempfang ausreicht, eine gute, einen magnetischen Lautsprecher weit übertreffende Lautstärke. Ein kapazitiver Lautsprecher bekannter Bauart spricht hier noch gar nicht an.If the layer between C ₁ C is in the same position as the charged needle of a quadrant electrometer, the air layer consisting of flat, thin bubbles due to the wave-like deformation of the dielectric, is affected by the charge zones that are compressed like on cutting edges. If the potential at A ₁ B now pulsates as a result of the alternating pulses excited in ο *, these three air cushions with the solid dielectrics are excited in the same direction, the effects add up, so that this system responds to even smaller potential amplitudes than according to FIG the sounder can also be used for small receivers; For example, a sound generator switched in this way on a receiver with a double tube (type Te Ka De VT 126, 6 mA anode current) gives a good volume far exceeding a magnetic loudspeaker when the received energy is insufficient for detector reception. A well-known capacitive loudspeaker does not yet respond here.

Die Fig. 4b zeigt eine Schaltung dieses Systems, die ohne Transformator für direkten Röhrenanschluß geeignet ist. Sie ist verwendbar, weil der Coulombbedarf des Schallgebers so klein ist, daß auch bei kleinen Röhren der Nebenschluß über R₁ R (etwa gleich dem zweifachen Röhrenwiderstand) nicht merkbar schwächend wirkt, wenn die Empfangsenergie nicht sehr klein ist.4b shows a circuit of this system which is suitable for direct tube connection without a transformer. It can be used because the Coulomb requirement of the sounder is so small that even with small tubes the shunt via R ₁ R (approximately equal to twice the tube resistance) does not have a noticeable weakening effect if the received energy is not very small.

Claims

Claim:

Electrostrictive sound reproducer characterized by a compliant dielectric Layer, which in a penetrating them, influenced by the frequency currents to be reproduced as sound Field of locally (zone-wise) charge density which far exceeds the mean value is arranged.

1 sheet of drawings