DE609163C

DE609163C - Akustisch-mechanisches Wellenfilter

Info

Publication number: DE609163C
Application number: DES97564D
Authority: DE
Inventors: Karl Kuepfmueller
Original assignee: Telefunken AG
Current assignee: Telefunken AG
Priority date: 1931-03-21
Filing date: 1931-03-21
Publication date: 1935-02-16

Description

DEUTSCHES REICH

AUSGEGEBEN AM
16. FEBRUAR 1935

REICHSPATENTAMT

PATENTSCHRIFT

KLASSE 42 g GRUPPE Io4

S 97564 IX\42 g

Akustisch-mechanisches Wellenfilter

Patentiert im Deutschen Reiche vom 21. März 1931 ab

Gegenstand der Erfindung ist ein akustischmechanisches Wellenfilter, das sich gegenüber den bekannten Filtern durch besondere Einfachheit und geringen Preis auszeichnet und insbesondere geeignet ist, in Verbindung mit Schallaufnahme- oder -Wiedergabegeräten deren Übertragungseigenschaften zu verbessern.
Neben den gebräuchlichen elektrischen FiI-

' tern sind mechanische Filter an sich bereits bekannt. Bei diesen bekannten Anordnungen sind die einzelnen Elemente insbesondere hinsichtlich ihrer Masse und Elastizität so bemessen, daß sie im Zusammenwirken die gewünschten Eigenschaften ergeben. Diese Filter haben den Nachteil, daß die zur Erzielung ausreichender Siebwirkungen notwendige große Zahl der Einzelglieder die Anordnungen dieser Art noch immer verhältnismäßig teuer werden läßt.
Bekannt sind andererseits akustische Filter.

Bei diesen werden Hohlräume als schwingende Elemente benutzt. Infolge des Fehlens genau zu bemessender schwingender Teile zeichnen sich die akustischen Filter durch geringe Herstellungskosten aus, besitzen aber den Nachteil, daß ihr Raumbedarf außerordentlich groß ist. Aufgabe der Erfindung ist es, eine Kombination dieser bekannten Filter zu schaffen, die die Vorzüge beider ohne deren Nachteile miteinander vereinigt. Eine Vereinigung akustisch wirkender Hohlräume mit mechanisch schwingenden Teilen ist an sich bereits bekannt. So ist es beispielsweise bekannt, in mechanischen Filtern, die an einem Ende durch eine auf einen Luftraum wirkende Membran abgeschlossen sind, diesen Luftraum so zu bemessen, daß sich seine Eigenschaften in das Gesamtbild des mechanischen Filters in gewünschter Weise einordnen. Aber auch die Filter dieser Art besitzen die oben angeführten Nachteile, insbesondere die der mechanischen Filter, da diese ja den wesentlichen Bestandteil der betreffenden Anordnungen darstellen.

Ein Filter, das mechanische und akustische Wirkungen miteinander vereinigt, besitzt gemäß der Erfindung mehrere hintereinandergeschaltete Kammern, die durch elastische Membranen getrennt und mit einem elastischen Körper, vorzugsweise mit Luft, gefüllt sind. Die akustischen und mechanischen Wirkungen der Kammern sind infolgedessen mit den mechanischen Wirkungen der elastischen Zwischenglieder so eng ineinander eingefügt, daß die Wirkungsweise der Anordnung gemäß der Erfindung gegenüber der der bekannten Anordnungen, bei denen die Lufträume nur unwesentliche Abschlußelemente darstellen, entschieden vorteilhaft ist. Diese

*) Von dem Patentsucher ist als der ErRnder angegeben worden:

Karl Küpfmüller in Danzig-Langfuhr.

Verschiedenheit ist schon äußerlich daran zu erkennen, daß der Aufbau sehr einfach ist. Ein solches Filter hat daher mit den akustischen Filtern den Vorzug geringer Herstellungskosten gemeinsam und mit den mechanischen Filtern den Vorzug geringen Raumbedarfs.

Ein Ausführungsbeispiel ist in Fig. ι dargestellt. Dieses Filter besteht aus zwei Lufträumen L, die durch eine elastische Membran M₂

ίο getrennt und auch an den Enden durch elastische Membranen M₁ und Ai₃ abgeschlossen sind. Membranen und Lufträume sind abgestimmt. Eine solche Membran hat unterhalb und in der Umgebung ihrer Hauptresonanzfrequenz angenähert die gleichen Eigenschaften wie ein elastisch und durch Reibung gehemmter Massenpunkt. Die Luftzwischenräume wirken in dem Gebiet unterhalb ihrer Eigenfrequenz wie Federn.

ao Für die Anordnung nach Fig. ι kann man das elektrische Ersatzbüd Fig. 2 aufstellen. Hier entsprechen j> dem auf M₁ auftreffenden Schalldruck, W₀ der äquivalenten Masse und r₀ dem Reibungskoeffizienten der Membranöffnung, Ot₁,

as Ot₂, Ot₃ den äquivalenten Membranmassen, r_v r₂, r_a den Reibungskoeffizienten und S₁, S₂, S₃ den Werten der Steifigkeit der Membranbewegung

(Steifigkeit = ■

Kraft

i)·

Weiterhin entspre-

O₀ V " Auslenkung^

chen s₄ und s_s den Steifigkeiten der Luftpolster zwischen den Membranen.

Für die Größen Ot₀ und r₀ gelten die folgenden bekannten Beziehungen: 35

OT₀=I ρ rf*, (I)

_ ^π

in denen ρ die Luftdichte, d den Membrandurchmesser, c die Fortpflanzungsgeschwindigkeit des Schalles und ω die Kreisfrequenz der Schwingung bezeichnen. Die Größen S₄ und S₅ können mit Hilfe der folgenden Formel berechnet werden:

Hiervon bedeuten F die Membranfläche und V₀ das Volumen des Hohlraumes. Ferner ist

= 43

—

cm/s

Es entsprechen sich also in

bekannter Weise Masse und Induktivität, Reibungskoeffizient und Ohmscher Widerstand, Steifigkeit und reziproke Kapazität.

Die Anordnung gemäß Fig. 1 stellt, wie aus dem Ersatzbüd Fig. 2 deutlicher hervorgeht, eine Siebkette dar. Die Stromstärke im letzten Glied des Ersatzbildes entspricht der Bewegungsgeschwindigkeit der letzten Membran M₃. Der Reibungskoeffizient r₃ dieser Membran wird so gewählt, beispielsweise durch passende Bemessung der Luftdämpfung, daß er dem mittleren Wellenwiderstand der Siebkette angepaßt ist. Haben die Serienschwingungskreise unter

sich gleiche Induktivität Ot₁ und Kapazität —

und wird s₄ = S₅
Grenzfrequenzen

angenommen, so sind die

tu, =

ω, =

ZT + 4

OT₁

(4)

(5)

Wesentlich für die Wirksamkeit des Wellenfilters ist, daß die Membranen als Schwingungskreise wirken, während die Kammern unterhalb ihrer Eigenfrequenz betrieben werden. Dadurch ergeben sich die eingangs genannten Vorteile gegenüber den akustischen Filtern.

Wegen der niedrigen Kosten und des geringen Raumbedarfs ergeben sich für Kettenleiter gemaß der Erfindung sehr viele Anwendungsgebiete, die bis jetzt von den teuren elektrischen Ketten beherrscht werden. Insbesondere werden gerade die wirtschaftlichen Vorteile in vielen Fällen die Verwendung akustisch-mechanischer Ketten gemäß der Erfindung erforderlich machen. So können beispielsweise Filter gemäß der Erfindung zur Störbefreiung benutzt werden, zur Trennung verschiedener Frequenzbänder und ähnlichen Zwecken,

Ist ein elektrisches Filter durch ein akustischmechanisches zu ersetzen, so ist am Eingang des letzteren eine Anordnung vorzusehen, die die elektrischen Schwingungen in akustischmechanische umformt, und am Ende des Filters eine andere Anordnung, die die Rückbildung der akustisch-mechanischen Schwingungen in elektrische vornimmt. Da die einzelnen Kettenleiterglieder sehr einfach und infolgedessen billiger sind als die bei elektrischen Filtern benutzten Glieder aus Spulen und Kondensatoren, ist eine Erhöhung der Gliederzahl unwesentlich für den Gesamtpreis. In den Fällen also, in denen eine hohe Gliederzahl notwendig ist, tritt die wirtschaftliche Überlegenheit der Filter ge- no maß der Erfindung besonders stark in die Erscheinung,

Große Vorteile ergeben sich weiterhin bei Verwendung der beschriebenen Filter in Zusammenschaltung mit Schallaufnahme- oder -wiedergabegeräten zum Zwecke der Verbesserung der Übertragungseigenschaften. Hierbei sind die Einzelelemente der genannten Geräte so zu bemessen, daß sie in gleicher Weise wie die Elemente des Filters zur Erzielung der gewünschten Eigenschaften beitragen. Dieser Gedanke sei an Hand der Fig. 3 bis 9 näher erläutert.

Fig. 3 stellt ein Mikrophon der üblichen Bauart dar. Eine Kammer if, die ganz oder teilweise beispielsweise mit Kohlekörnern gefüllt ist, ist durch eine elastische Membran M₃ abgeschlossen.

Das elektrische Ersatzbüd hierfür ist in Fig. 4 dargestellt. Darin entsprechen wieder p dem auf die Membran auftreffenden Schalldruck, m₀ der äquivalenten Masse und r₀ dem Reibungskoeffizienten der Membranöffnung, m₃ der äquivalenten Membranmasse, S₃ der Steifigkeit der Membranbewegung und r₃ dem Reibungskoeffizienten.
Befindet sich das Mikrophon frei im Raum, so ist für konstanten Schalldruck die Frequenzabhängigkeit der Membranamplitude χ durch die Resonanzkurve (Fig. 5) gegeben. Diese Kurve wird um so spitzer, je kleiner die Reibungskoeffizienten, sind. Wird also die Lautstärke des Mikrophons durch Verkleinern der Reibung erhöht, so ist die Folge davon eine ungünstigere Frequenzabhängigkeit.

Dieser Nachteil kann bei Verwendung eines Filters gemäß der Erfindung vermieden werden, wie in den Fig. 6 bis 8 erläutert. Die in Fig. 6 dargestellte Anordnung besteht aus dem eigentlichen Mikrophon, dessen Kammer if wieder durch eine Membran M₃ abgeschlossen ist. Vorgelagert sind zwei Kammern L₁ und L₅, die durch eine Membran M₂ voneinander getrennt sind, während £₄ außerdem an der freien Seite durch eine Membran M₁ abgeschlossen ist.

Fig. 7 stellt in bereits beschriebener Weise das Ersatzbüd dar. Es sind nun die einzelnen Glieder so bemessen, daß jedes von ihnen eine besondere Resonanzfrequenz bevorzugt.

Wie Fig. 8 zeigt, ergibt sich dann eine Resonanzkurve, . die an Stelle einer einzigen Resonanzfrequenz wie beispielsweise in Fig. 5 deren drei besitzt, so daß die Kurve zwischen zwei Grenzfrequenzen f_x und f_z einen annähernd konstanten Verlauf aufweist.

Im vorstehenden ist gezeigt, wie durch Anwendung des Filters gemäß der Erfindung die

Frequenzkurve eines Übertragungsgerätes verbreitert werden kann. Jedoch erstreckt sich das Anwendungsgebiet der Erfindung nicht allein auf Fälle dieser Art. Der Erfindungsgedanke ist vielmehr auch dann mit Vorteil an- wendbar, wenn es sich darum handelt, bei einer einzigen Frequenz oder innerhalb eines schmalen Bandes ein gutes Maximum zu erzielen. In diesem Falle sind die einzelnen Glieder so zu bemessen, daß sie alle die gleiche Resonanzfrequenz besitzen.

Auch in anderer Hinsicht können die beschriebenen Ausführungsbeispiele Abänderungen erfahren. So können beispielsweise die Kammern, anstatt als Luftkammern ausgebildet zu werden, auch mit geeigneten anderen Medien ausgefüllt werden. Weiterhin brauchen die Kammern nicht allseitig geschlossen zu sein. Es können gegebenenfalls die äußeren Begrenzungswände Durchbrechungen erhalten oder auch — insbesondere bei Verwendung eines festen Füllkörpers an Stelle eines gasförmigen — ganz fortfallen. Auf eine besonders wichtige Möglichkeit ist in Fig. 9 hingewiesen. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die äußerste Luftkammer mit einer durchbrochenen Endwand abgeschlossen, so daß diese Kammer mit dem Außenraum über eine enge Luftbrücke in Verbindung steht. Auch in diesem Falle lassen sich die Eigenschaften der Kammer zahlenmäßig errechnen und in das Gesamtbild des Filters in vorbestimmter Weise einfügen.

Um einen Überblick über die auftretenden Größenverhältnisse zu geben, sei im folgenden an einem Zahlenbeispiel die Rechnung für einen einfachen Fall durchgeführt. Es habe die Mikrophonmembran einen Durchmesser von 4 cm, ihr schwingendes Gewicht betrage 1 g, ihre Eigenfrequenz sei f = 1000 Hz. Es seien die Membranmasse

«, = 10

em

und die Membransteifigkeit
kg*

s₃ = 40

cm

(6)

(7)

Die Zwischenmembranen mögen die gleichen Werte für Masse und Steifigkeit erhalten. Sie können z. B. aus Eisenblech hergestellt werden, das am Rande eingespannt wird. Nach bekannten Formeln ergibt sich dann der Durchmesser dieser Zwischenmembranen zu etwa 4,5 cm und die Membrandicke zu 0,23 mm.

Soll nun die obere Grenzfrequenz bei 2500 Hz liegen, so muß nach Gleichung 5 die Steifigkeit der koppelnden Hohlräume

= 50

kg*
cm

(8)

sein.

Nach Gleichung 3 erfordert dieses einen Luftabstand zwischen den Membranen von etwa 3 mm.

Claims

Patentansprüche;

1. Akustisch-mechanisches Wellenfilter, gekennzeichnet durch mehrere hintereinandergeschaltete und durch elastische Membranen getrennte Kammern, die mit einem elastischen Körper, vorzugsweise mit Luft, gefüllt sind.

2. Akustisch-mechanisches Wellenfilter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Glieder verschiedene Frequenzbereiche derart bevorzugen, daß das Filter als Ganzes eine Bandbreite erhält, die

größer ist als die eines jeden der Einzelglieder.

3. Akustisch-mechanisches Wellenfilter nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine solche Bemessung der einzelnen Glieder, daß sie alle den gleichen Durchlässigkeitsbereich besitzen.

4. Akustisch-mechanisches Wellenfilter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine oder beide Endkammern an ihren Endflächen mit durchbrochenen Begrenzungswänden abgeschlossen sind.

5. Schallaufnahmegerät, gekennzeichnet

durch ein vorgeschaltetes Filter gemäß Anspruch i.

6. Schallwiedergabegerät, gekennzeichnet durch ein vorgeschaltetes Filter gemäß Anspruch i.

7. Akustisch-mechanisches Wellenfilter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es eingangsseitig eine Anordnung besitzt, die geeignet ist, elektrische Schwingungen in akustisch-mechanische umzuformen, sowie ausgangsseitig eine Anordnung, die die Rückbildung der akustisch-mechanischen Schwingungen in elektrische vornimmt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen