DE627679C - Elektrostatischer Lautsprecher - Google Patents

Description

DEUTSCHES REICH

AUSGEGEBEN AM 21. MÄRZ 1936

REICHSPATENTAMT

PATENTSCHRIFT

KLASSE 21a² GRUPPE

2i a² A 516. Tag der Bekanntmachung über die] Erteilung des Patents: 5. März

Allgemeine Elektricitäts-Gesellschaft in Berlin Elektrostatischer Lautsprecher

Patentiert im peutschen Reiche vom 28. September 1930 ab

ist in Anspruch genommen.

Die Erfindung betrifft einen Schallwiedergabeapparat, insbesondere einen elektrostatischen Lautsprecher.

Durch einen elektrostatischen Lautsprecher ward bekanntlich der Ausgangskreis des Verstärkers, in den er, eingeschaltet ist, kapazitiv belastet. Die dem Lautsprecher wirklich zugeführte und in Schall umgesetzte Energie ist klein gegenüber der wattlosen Volt-Ampere-Leistung, die dazu ,dient, die Elektroden auf das gewünschte sich ändernde Potential aufzuladen. Dies ist insbesondere der Fall bei den hohen Frequenzen, wobei der kapazitive Blindwiderstand des Lautsprechers gegenüber der Impedanz¹ des Verstärkerkreises so gering wird, daß der Verstärker an die Elektroden des Lautsprechers verzerrte Potentialänderungen liefert; Das ergibt einen Verlust im Hochfrequenzbereich gegenüber der Leistung im Niederfrequenzbereich. Ein elektrostatischer Lautsprecher des üblichen Typs wird also bis zu einer, bestimmten Frequenz sehr gleichmäßig ansprechen; oberhalb dieser Frequenz sinkt jedoch die Güte der Wiedergäbe oder die Schalleistung für eine bestimmte, dem Verstärker zugeführte Spannung ganz beträchtlich. Je größer die Kapazität der Lautsprecherelektroden bei gegebenem Verstärker ist, um so tiefer liegt die Frequenz, bei der die Wiedergabequalität sinkt Eine gute Wiedergabe verlangt, däß die Kapazität eines den Verstärker belastenden Lautsprechers unterhalb eines bestimmten Wertes bleibt. Dieser Wert bestimmt den nutzbaren Tonbereich, den man von einem,35 Verstärker von gegebener Volt-Ampere-Ausgangsleistung erhalten kann.

Um die Wiedergabe derartiger Lautsprecher zu verbessern, ist vorgeschlagen "worden, bei einer in ihrer ganzen Ausdehnung freischwingenden Membran auf verschiedene Flächenteile derselben ,elektrisch untereinander abgestufte Spannungen einwirken zu lassen. Die Spannungen werden der mit Anzapfung ^versehenen Sekundärseite 45, eines: Übertragers entnommen und der Gegeilelektrode, welche in gegeneinander; isolierte

. Abschnitte eingeteilt ist, zugeführt. Es wird in diesem Fall die größte Teilkapazität auch die größte Leistung aufnehmen. Ferner hängt die Leistungsaufnahme auch noch von der jeweils an dieser Kapazität liegenden. Spannung ab. Der Verlauf der Impedanz des Lautsprechers^ bezogen auf die Primärseite des Überträgers, weicht praktisch nicht von der Impedanz der bisher üblichen elektro-

statischen Lautsprecher, wie sie bereits vor-. her beschrieben worden sind, ab.

Weiterhin ist es vorgeschlagen worden, das zu übertragende Frequenzband aufzuteilen Es wird zu diesem Zweck eine größere Atizahl von Lautsprechern vorgesehen, von denen jeder nur auf einen kleinen, verhältnismäßig schmalen Bereich des ganzen zu übertragenden Frequenzbandes anspricht. Die: ίο Membranen der einzelnen Lautsprecher haben untereinander verschiedene Eigenschwingungen. Oberhalb bzw. unterhalb der Eigenschwingung des einzelnen Lautsprechers ist der Wirkungsgrad verhältnismäßig gering. 'Die Impedanz der ganzen Lautspfecheranordnung ändert sich in Abhängigkeit von "der Frequenz ständig, und zwar schwanken die Werte der Impedanz je nach der Zahl der Lautsprecher' zwischen untereinander verschiedenen maximalen und minimalen Werten hin und her. Durch die ständige Änderung der Impedanzwerte über das ganze Frequenzband wird aber die Wiedergabe in erheblicher Weise gestört. -■■■".-.-

Gemäß der Erfindung werden diese Schwierigkeiten bei elektrostatischen Lautsprechern dadurch vermieden, daß zur Erzielung einer praktisch für alle in Betracht kommenden Tonfrequenzen frequenzunabhängigen Imipedariz des Lautsprechers die Kapazität" zwischen der Membran und ihr gegenüberliegen-den festen Elementen durch Unterteilung der Membran und der festen Elemente in- Teilkapazitäten zerlegt ist. Diese Teilkapazitäten sind über zusätzlich eingeschaltete ,Scheinwiderstände anderer-Art, wie Drosselspulen, verbunden, so* daß eine Kette abwechselnder, untereinander verschiedenartiger Glieder- in einer einer Siebkette ähnlichen Form entsteht. Man kann diese Anordnung ails eine Art ' " künstlicher Übertragungsleitung oderals Siebkette auffassen. Das eine. Ende der Siebkette liegt an einer Hochfrequenz quelle. Das andere Ea.de ist an einen Dämpfungswiderstand *5 angeschlossen. Bei dieser Anordnung sind die^ oben beschriebenen Schwierigkeiten vermieden. Man kann eine viel groß ere Totalkapazität vorsehen, ohne den Verstärker zu überlasten. Die .Impedanz der' Einrichtung bzw. -die Belastung des Verstärkers istfür; "alle in Betracht kommenden Tonfrequenzen: gleich. Es ist dann nicht mehr ,erforderlichr-aile Teile der Elekfrodennäche auf volles Poteii- ; tial aufzuladen. Die Ladung wandert" von einem Abschnitt zum nächstenrdie verschiedenen Abschnitte erhalten alle ihre Ladungen _ der" Reihte nach. Führt man den'Erfindungs¹ gedanken hinreichend genau- durch und verwendet eine große Zahl von .Abschnitten und möglichst verlustfreie Induktanzen, dann kann man einen.elektrostatischen Lautsprecher einhalten, dessen Verstärker im wesentlichen nur die Energieverluste zu decken hat, die von der Schallabstrahlung herrühren. In der Praxis wird es jedoch häufig zweckmäßig sein, diese Bedingung nicht ganz zu erfüllen und weniger Abschnitte anzuwenden, als erforderlich sind, um die gesamte vom Verstärker gelieferte Energie abzustrahlen. Der bereits erwähnte Endwiderstand dient dann zur Aufnahme der Restenergie und zur Verhinderung von Wellenreflexion. Ohne einen solchen Widerstand könnten leicht elektrische Resonanzen eintreten, was entsprechende -Störungen in der Wiedergabe zur Folge haben würde.

Die Einrichtung stellt also eine Art Niederfrequenzsiebkette dar. Sie bestimmt eine obere Frequenz, oberhalb welcher die Ausstrahlung praktisch aufhört. Diese Grenzfrequenz ist zweckmäßig so hoch zu legen, als erforderlich ist. Man erreicht dies, indem man die- verschiedenen Induktanzen und Kapazitäten entsprechend dimensioniert. Die Anordnung arbeitet im wesentlichen mit einem Leistungsfaktor gleich 1, solange man unterhajb der Frequenz sich befindet, bei der sie als Filter, -wirkt. Die Impedanz der Anordnung ist praktisch unabhängig von der Frequenz und gemäß der Erfindung viel höher als bisher. Mit der erfindungsgeniäßen Zerlegung der Membran und der festen Elemente des Lautsprechers in Abschnitte erhält man nicht nur keine Qualitätseinbuße, sondern sogar, wie die Versuche zeigten, eine Qualitätsverbesserung. Die Überlastung- der Verstärker ist mit Sicherheit vermieden.

Weiterhin wird gemäß der Erfindung die Phasendifferenz-zwischen den verschiedenen Abschnitten der.Membran dazu benutzt, um den Schall· im Vorführungsraum passend zu verteilen.·" .... "."'.■".

Wünscht man auf. die Töne von genügend hohen Frequenzen eine Richtwifkung auszuüben, dann lcann man ihre Richtung vorher bestimmen. Man rechnet zunächst die Form .der Tonwellenfront aus, die sich beim Verlassen, des Lautsprechers bildet, und benutzt das Prinzip, daß der Ton normal zu dieser Wellenfront fortschreitet. Die Phasendifferenz zwischen den aufeinanderfolgenden Schwin-

ungen der -'einzelnen Membranabschnitte kann berechnet werden, wenn man von den bekannten Eigenschaften der Niederfrequenzsiebketten ausgeht. Das Verfahren ähnelt dann der bekannten und in der Optik benutzten Huygensschen Konstruktion.

Die Erfindung wird an Hand der beiliegenden Zeichnung erläutert.

Abb. ι zeigt, ein Ausführungsbeispiel der Erfindung. Zwischen den verschiedenen Abschnitten des Schwingelementes des Lautsprechers, sind .hier Induktanzen eingeschaltet;

das Schwingelement selbst ist zwischen zwei festen Elementen angeordnet, die sich auf einem anderen Potential befinden als das Schwingelement.

Abb. 2 zeigt eine etwas andere Ausführungsform mit nur einem gegenüber dem Schwingelement liegenden festen Element. Gemäß Abb. 3 liegen die Induktanzen zwischen den verschiedenen Abschnitten der festen Elemente und diese wieder zu beiden Seiten des Schwingelementes. Abb. 4 zeigt die Reihenfolge der eingeschalteten Induktanzen, wodurch eine bestimmte Richtcharakteristik festgelegt ist.

Die Apparatur gemäß Abb. 1 besteht aus mehreren, Schwingelementen oder Membranabschnitten 10. Sie sind elektrisch miteinander verbunden und an den Ausgangskreis des Verstärkers n über eine Anzahl zwischen den Abschnitten iq liegenden Induktanzen bzw. Drosselspulen 13 angeschlossen. Gegenüber dem Schwingelement sind mehrere feste Elemente 14 angeordnet, z. B. perforierte Metallplatten, die über Leiter 15 miteinander und über eine konstante Spannungsquelle, z. B. eine Batterie 16, mit einem der Verstärkerkreise verbunden sind. Zweckmäßig liegt dieser Kreis an Erde. Auf der gegenüberliegenden Seite der Schwingelemente 10 sind ebenfalls mehrere feste Elemente 17 angeordnet. Sie sind durch Verbindungen 18 miteinander und über eine S pannungs quelle 19 mit der Erdseite des Verstärkerkreises verbunden. Die Elemente 14 liegen an dem positiven Pol der Spannungsquelle 16, während die Elemente 17 durch die Spannungsquelle 19 negativ geladen werden. Dadurch entsteht zwischen den Schwingelementen 10 und den festen Elementen 14'und' 17 ein elektrostätischer Zug. Die auf die Schwingelemente einwirkenden elektrostatischen Kräfte sind im wesentlichen entgegengesetzt und gleich groß. Wird nun im Ausgangskreis des Verstärkers eine Spannung erzeugt, dann ändert -sich das Potential der Elemente 10. Die elektrostatische Kraft auf der einen Seite sinkt und steigt auf der anderen Seite; infolgedessen bewegt sich das Schwingelement. Die Anordnung arbeitet ähnlich wie der bekannte elektrostatische zweiseitige oder Druck-Zug-Schallerzeuger. Der Widerstand 12 dient, wie bereits erwähnt, zur Verhinderung von elektrischen Wellenreflexionen. Er ist annähernd

Λ etwa \/-p groß, d.h. gleich dem Wellenwiderstand der Leitung, so daß ankommende Wellen nicht reflektiert werden. (Vgl. z. B. Breisig, Theoretische Telegraphie II, Braun- ' schweig 1924 S. 318 Abb. 178.) An Stelle .

des Widerstandes 12 kann man mit gleichem Erfolg auch Widerstandsreihen einschalten, die in den Induktanzen oder Kapazitäten an oder nahe dem Ende 12 des Kreises hohe elektrische Verluste erzeugen.

Die Anordnung gemäß Abb. 2 ähnelt der in Abb. ι gezeigten, nur ist hier ein einseitig wirkender Lautsprechertyp angedeutet, mit nur auf einer Seite der Membran angeordneten festen Elektroden. Der Verstärkerausgangskreis ist auch etwas abgeändert, da statt eines Transformators eine Drosselspule 20 vorgesehen ist. Diesen Ausgangskreis benutzt man gewöhnlich; er ergibt in Verbindung mit einem einseitigen elektrostatischen Lautsprecher eine besonders einfache Anordnung.

In der Anordnung gemäß Abb. 3 sind die Schwingelemente bzw. Membranabschnitte ■mit einer konstanten Spannungsquelle verbunden. In dem vorliegenden Beispiel ist es die Anodenbatterie des Verstärkers. Die Membran setzt sich aus mehreren getrennten Abschnitten zusammen, die leitend miteinander verbunden sind (21). Die festen Elemente 14 bzw. 17 sind über die Induktanzen 22 bzw. 23 miteinander verbunden. Sie sind über einen Transformator 24 an den Ausgangskreis des Verstärkers derart angeschlossen, daß die an den Elementen 14 liegenden Tonfrequenzspannungen eine entgegengesetzte Phase besitzen, wie die an den Elementen 17 liegenden Spannungen.· Man erhält mit dieser Anordnung dasselbe Resultat wie mit der in Abb. ι gezeigten. Sie ist jedoch einfacher. Wichtig ist, daß die Induktanzen und Kapazi- ⁹S täten auf beiden Seiten genau gleich groß sind, sonst wurden sich die elektrischen Impulse beiderseits der Membran ungleich fortpflanzen. Der gewünschte Phasengegensatz kann dann am Ende der Kette nicht mehr vor- ¹Qo handen sein. Gesichert wird dieser Phasengegensatz zweckmäßig durch eine in Abb. 3 gezeigte Anordnung. Man überbrückt die Elemente 14 und 17 in Abständen durch Autotransformatoren 25. Die Wicklungs- ¹QS mitte des Transformators wird dabei mit dem auf konstantem Potential liegenden Leiter 27 verbunden. Die Abschnitte der festen Elemente 14, 17 sind über Dämpfungswiderstände 26 an die Rückleitung 27: angeschlossen. Letztere liegt sowohl an der Kathode des Verstärkers ΐϊ als auch an der Mitte der Sekundärwicklung des Transformators 24. Mit dieser Anordnung erhält man dieselben Resultate wie mit der in Abb. 1 dargestellten; sie erfordert aber keine besondere Hochspannungsquelle und ist sicherer, weil die leichter zugänglichen Außenelemente des Lautsprechers, abgesehen von der Modulierspannung', nur an Erde liegen. ■"·

Mit Hilfe der Phasendifferenz zwischen aufeinanderfolgenden Membranabschnitten

kann man eine gewünschte Richtwirkung festlegen. " Dieses Verfahren ist in Abb. 4 erläutert. Bei vielen Vorführungen ist es erforderlich, die Tonwellen nach rechts Und links -5 allseits auszustrahlen, so daß sie alle Zuhörer erreichen, wahrend in, vertikaler Richtung nur eine verhältnismäßig geringe Ausstrahlung gewünscht wird. Man will also Schallbüschel erzeugen, die sich fächerartig horizontal ausbreiten. Verlängt wird dies z. B. bei Zimmervorfuhnmgen. Hier; will man die schädliehe Strahlung gegen die Stübendecke vermeiden/da sonst Echoeffekte entstehen. Diese horizontale Ausstrahlung erhält man, wenn man die den Lautsprecher verlassende Wellenfront zylindrisch ausbildet mit vertikaler Achsev Bestehen, die· Membranabschnitte aus vertikalen Streifen von.der Größe einer Wellenlänge oder mehr, dann ist die Achse der ao Wellenfront parallel zu diesen Streifen. Um die gewünschte zylindrische Form zu erhalten,· muß die Strahlung des Mittelstreifens der Strahlung der -Seitenstroifen · vorauseilen. Man.erreicht dies, indem man die in Abb.-4 25: gezeigte. Reihenfolge anwendet. Die festen "Elektroden sind 'hier nicht -gezeichnet. -" Sie sind*ebenso geschaltet wie in Abb. X. Eine von dem Verstärker ^ausgehende elektrische Welle wirkt zunächst auf denAbschnitt a, sodann auf seinen rechten Nachbärabschnitt b und ganz zuletzt auf den linken Äußenstreifen e. Man erhält auf diese Weise keine vollkommen symmetrische Welle. Sie ist aber wahrscheinlich für praktische 'Zwecke genau genug. Eine noch genauere Symmetrie ergibt sich, wenn man die Streifen paarweise anordnet. Jedes Paar ist miteinander verbunden und ersetzt in: dem Stromkreise einen einzelnen Abschnitt. Dann gehen die Stromimpulse vom Verstärker über eine Spule zum Abschnitt α; über eine zweite Spule zu den Abschnitten & und c,. über eine dritte Spule und die Abschnitte d und e, schließlieh über eine vierte Spule, und einen Dämpfungswiderstand 12 zur Erde. In dieser Anordnung haben die einzelnen Paare dieselbe Kapazität wie die Abschnitte, die sie im Stromkreis er-. setzen sollen. Das bedeutet im allgemeinen, daß die gesamte Fläche in eine größere Zahl So von Abschnitten unterteilt ist.

Mit Hilfe des eben angedeuteten Erfindungsgedankens kann man natürlich auch · eine Wellenfront von anderer und beliebiger Form erzeugen, d. h. die Richtwirkung beliebig regeln.; Die Erfindung läßt sich -auch dort anwenden* wo man bisher die- strahlenden Elemente nicht in einer ebenen, sondern auf einer gekrümmten Fläche anordnete. Man kann auch diese beiden Verfahren miteinander verbinden. . Bewegen sich· alle Membranelemerite in der gleichen Phase, wie z.B. bei einem gewöhnlichen elektrostatischen Lautsprecher, dann kann man eine Richtwirkung erzielen, indem man der gesamten abstrahlenden Fläche eine Form gibt, wie sie'die WeI-lenfront aufweisen soll. Sie kann z. B. zylindrische Form erhalten. Die Kombination der beiden Anordnungen ist besonders dann von Vorteil, wenn es sieh darum handelt, der horizontalen Strahlung eine gewisse vertikale Ausdehnung zu geben. Die Horizontalausbreitung sichert man mittels der Phasendifferenz zwischen den aufeinanderfolgenden Abschnitten, eine vertikale Ausbreitung dagegen erhält man, wenn man die Streifen "wölbt, so daß die gesamte Oberfläche zylindrisch wird mit horizontaler Achse. Eine derartige Konstruktion läßt sich- viel leichter herstellen als eine doppelt gekrümmte Fläche. Außerdem kann man die Ausbreitung in beiden Richtungen unabhängig voneinander regeln.

Man kann ebenso Wellenfronten erzeugen, die in der Nähe des Lautsprechers konvex oder konkav in beliebiger Form sind.

Der erfindungsgemäße Lautsprecher hat von den üblichen elektrostatischen Typen noch den weiteren Vorteil, daß die zerstörende Wirkung der Funkenbildung zwischen den Elektroden verringert ist. Bei einer großen, auf hohes Potential geladenen Kapazität kann ein Funke leicht eine solche Wärme erzogen, daß die -— naturgemäß; sehr leichte — Membran durchbrennt. Bei sehr kleinen Abschnitten dagegen entstehen für dieselbe Spannung weit schwächere Funken. Benachbarte Abschnitte können sich ?war durch einen Lichtbogen entladen; hierbei müßten sich aber die Ströme über die dazwischenliegenden Spulen einschwingen. Dies schwächt jedoch die Ent_: ladung. Die Energie-wird anstatt im Lichtbogen in den Spulen weitgehend aufgezehrt.

Man kann die erfindungsgemäße Untertei- ■ lung und' Einführung von Induktanzen sowohl ari dem Schwingelement als auch an den festen Elektroden durchführen. Im letzteren Falle kann die Membran aus einer einzigen leitenden Schicht bestehen. In der Praxis hat es sich als notwendig erwiesen, die Teile der Membran, die den verschiedenen Abschnitten der festen Elektrode gegenüberliegen, so anzuordnen, daß sie unabhängig voneinander schwingen können. Denn die auf die verschiedenen Abschnitte einwirkenden elektrostatischen Kräfte haben verschiedene Phasen, und auch jeder Membranabschnitt muß in der Lage sein, mit der auf ihn einwirkenden Kraft in Phase zu schwingen. Die mechanische Unabhängigkeit der Membranplatten kann dadurch gesichert werden, daß man an iao den Rändern der Platten mechanische Träger vorsieht. -

Claims (8)

1. Patentansprüche:

   ι. Elektrostatischer Lautsprecher,' dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzielung einer praktisch für alle in Betracht kommenden Tonfrequenzen frequenzunabhängigen Impedanz des Lautsprechers die Kapazität zwischen der Membran und ihr gegenüberliegenden festen Elementen durch Unterteilung der Membran und der festen Elemente in Teilkapazitäten zerlegt ist, die über zusätzlich eingeschaltete Scheinwiderstände anderer Art, wie Drosselspulen, verbunden sind, so daß eine Kette abwechselnder, untereinander verschiedenartiger Glieder in einer einer Siebkette ähnlichen Form entsteht.
2. 2. Lautsprecher nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die auf die verschiedenen Abschnitte einwirkenden elektrischen Wellen diese Abschnitte zu verschiedenen Zeiten treffen, wodurch eine bestimmte Form der Tonwellenfront bedingt ist.
3. 3· Lautsprecher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die resultierende Tonwellenfront annähernd symmetrisch ist zu der Mittellinie (mittleren Flächennormale) der schwingenden oder festen Elemente.
4. 4. Lautsprecher nach Anspruch l oder folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß durch .Änderung der zwischen den Abschnitten eingeschalteten Elemente die

   Krümmung der Tonwellenfront geregelt wird.
5. 5. Lautsprecher nach Anspruch 1 oder folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß Reflexionen der von Abschnitt zu Abschnitt fortschreitenden Wellen (z. B. mittels eines eingeschalteten Widerstandes) verhindert werden.
6. 6. Lautsprecher nach Anspruch 1 oder folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschnitte des Schwingelementes mechanisch derart miteinander verbunden sind (z. B. durch die Art der Lagerung der einzelnen Teilflächen),_: daß sie unab-.hängig voneinander schwingen können.
7. 7. Lautsprecher nach Anspruch 1 oder folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschnitte gekrümmt ausgebildet werden, so daß man einer im wesentlichen sich horizontal ausbreitenden Tonwellenfront auch eine gewisse vertikale Ausdeh- nung geben kann und horizontale wie vertikale Ausbreitung unabhängig voneinander regelbar sind.
8. 8. Lautsprecher: nach Anspruch 1 oder folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die, beiderseits einer Membran angeordneten, in Abschnitte unterteilten festen Elemente stellenweise durch Autotransformatoren überbrückt sind, die zweckmäßig in der Mitte geerdet sind* so daß zwischen den beiderseits der Membran sich fortpflanzenden elektrischen Wellen ein konstanter Phasengegensatz besteht.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen