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Schallgeräte mit Richtwirkung
Die Erfindung bezieht sich auf Schallstrahler
und -empfänger und hat den Zweck, die Richtwirkung bei diesen Schallgeräten zu verbessern,
d. h. ihre Eigenschaft, Schall aus einer bestimmten Richtung bevorzugt wiederzugeben
bzw. aufzunehmen, aus anderen dagegen weit weniger oder überhaupt nicht.
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Es ist bekannt, daß die Richtwirkung von der Größe der Membran und
der Frequenz abhängig ist. Bei gleichbleibender Membrangröße nimmt die Richtwirkung
mit zunehmender Frequenz zu, da zur Erzeugung eines Richtungseffektes die Membran
groß im Verhältnis zur Wellenlänge sein muß. Hieraus ergibt sich bereits, daß es
schwierig ist, ein einzelnes Schallgerät mit einer Richtwirkung über einen großen
Frequenzbereich auszustatten. Ein solches Schallgerät würde verhältnismäßig große
Dimensionen erhalten; beispielsweise würde eine einzelne Membran für die Erzielung
einer Richtwirkung bei Frequenzen um IOOO Hz einen Durchmesser in der Größenordnung
eines halben Meters bekommen. Die Verhältnisse würden noch ungünstiger werden, wenn
die Richtwirkung auch noch für tiefere Frequenzen gefordert wird, wie sie beispielsweise
in der Tonfilmtechnik gebräuchlich sind.
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Es wäre an sich möglich, den Schwierigkeiten, die sich bei der Verwendung
sehr großer Membranen einstellen, dadurch zu begegnen, daß diese Membran sozusagen
in viele kleine Einzelmembranen aufgeteilt wird, von denen jede für sich genommen
überhaupt keine Richtwirkung zu haben braucht, die aber alle
zusammen,
wenn sie auf ein und dasselbe Gerät arbeiten, genau dieselbe Wirkung wie eine einzige
große Membran haben, Es ist in der Wasserschalltechnik bekannt, eine Gruppe von
mehreren kleinen Gebilden für die Schallaufnahme zusammenzustellen. Betrachtet man
hierbei beispielsweise eine Zweiergruppe, bei der die beiden Schallgeräte, z. B.
Empfänger, in einem Abstand d voneinander angeordnet sind und die parallel verlaufenden
Schallstrahlen unter einem Winkel a gegenüber der Abstandslinie auftreffen, so ist
die Gesamtamplitude bei einer solchen Zweiergruppe: (z u cos a).
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R cos # Hierbei bedeutet A die Wellenlänge, und diese Gleichung ist
ein Maß für die Richtcharakteristik der Gruppe; sie läßt sich graphisch veranschaulichen,
indem vom Mittelpunkt der beiden Strahler für jede Richtung R als Vektor aufgetragen
wird. Die Endpunkte dieser Vektoren bilden eine Fläche, welche die Richtcharakteristik
darstellt; diese Richtcharakteristik zeigt bei a = f 90° 2 Maxima für d: 3L = 0,5;
die Richtcharakteristik besitzt ferner um so schärfere Maxima, je größer das Verhältnis
d: ,, ist. Mit der Vergrößerung dieses Verhältnisses bilden sich aber bei konstantem
Abstand mit zunehmender Frequenz Nebenmaxima, welche die Größe der Hauptmaxima erreichen
können, so daß die Richtwirkung selbst wenig brauchbar ist. Dies stimmt übrigens
auch überein mit der Tatsache, daß bei einem Schallempfänger bestimmter Membrangröße
die Richtwirkung mit der Frequenz zunimmt, da sich das Verhältnis d: X mit zunehmender
Frequenz vergrößert, indem dabei A kleiner wird. Es ist nun an sich möglich, die
Schärfe des Maximums z.B. für Peilzwecke dadurch zu erhöhen, daß eine Mehrzahl von
Strahlern bzw. Empfängern in einer geraden Linie angeordnet werden, wobei der Abstand
der einzelnen Geräte so gewählt werden kann, daß die Nebenmaxima praktisch verschwinden
und nur die beiden Hauptmaxima bei a = i go" bestehenbleiben. Es ist also auf diese
Weise möglich, für ein verhältnismäßig schmales Frequenzband eine scharf ausgeprägte
Richtcharakteristik zu erzielen. Im Gegensatz hierzu handelt es sich aber in der
Elektroakustik, beispielsweise der Tonfilmtechnik, darum, eine über einen verhältnismäßig
großen Frequenzbereich gleichmäßige Richtcharakteristik zu erzielen oder, mit anderen
Worten, zu erreichen, daß der Schallempfänger oder Schallstrahler bei allen zu übertragenden
Frequenzen dieselbe Richtcharakteristik besitzen.
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Die vorhergehenden Überlegungen. haben gezeigt, daß eine Zweiergruppe
in einem bestimmten Abstand bei einer bestimmten Frequenz eine bestimmte Richtcharakteristik
aufweist. Dieses Grundprinzip wird gemäß der Erfindung für die Vergleichmäßigung
der Richtcharakteristik über einen großen Frequenzbereich ausgenutzt, indem vorgeschlagen
wird, jeweils zwei Schallgeräte zu einer Zweiergruppe zusammenzuschalten und den
einzelnen Schallgeräten jeder Gruppe unter Abstimmung auf verschiedene Frequenzen
einen solchen Abstand zu geben, daß alle Zweiergruppen im wesentlichen dieselbe
Richtcharakteristik haben. Die Gleichung der Richtcharakteristik zeigt, daß bei
einem Verhältnis d: A = 0,5 eine Richtcharakteristik ohne Nebenmaxima entsteht,
die bei a i go° nur zwei Maxima zeigt; dieses Verhältnis ist also auch für Zwecke
der Erfindung besonders günstig, weil es auch für die Erfindung nützlich ist, Nebenmaxima,
wenn sie eine störende Größe erreichen, zu vermeiden; die beiden Maxima würden bei
einer angenommenen Frequenz von z. B. 300 Hz erreicht bei einem Abstand c d = 0,5-f
(c=Schallgeschwindigkeit in Zentimeter, f=Frequenz), also bei d = 50 cm. Dieselbe
Charakteristik kann dementsprechend bei einer zweiten Zweiergruppe bei einer anderen
Frequenz, z. B. 600 Hz, dann verwirklicht werden, wenn der Abstand 25 cm beträgt,
und bei einer dritten Gruppe, z. B. bei 1200 Hz, bei einem Abstand von 12 cm. Das
Prinzip der Erfindung kann also dadurch verwirklicht werden, daß für die verschiedenen
Gruppen das Verhältnis d:A konstant gewählt wird, und zwar vorzugsweise A = 0,5,
bei welchem Wert die Nebenmaxima gleich Null sind; es ist ohne weiteres einleuchtend,
daß gewisse Abweichungen von diesem Wert, insbesondere in Richtung einer Verkleinerung,
durchaus möglich sind, und zwar soweit dabei sich etwa ergebende Nebenmaxima nicht
störend wirken. Zweckmäßig wird jede Zweiergruppe auf die ihrem Abstand entsprechende
Frequenz abgestimmt. Dies kann gemäß der Erfindung auf mechanischem, akustischem
oder elektrischem Wege geschehen; auf mechanischem Wege beispielsweise durch entsprechende
mechanische Abstimmung der Empfänger, auf akustischem Wege mit Hilfe von Pfeifen
und auf elektrischem Wege durch Bandfilter.
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Die einzelnen Gruppen werden zweckmäßig in einer Geraden angeordnet,
indem beispielsweise die einzelnen Schallgeräte auf einer gemeinsamen Stange angeordnet
werden. Für den Schallempfang können die bekannten Kristallzellen als Mikrofone
verwendet werden, die sich wegen ihrer geringen Größe leicht in großer Zahl kombinieren
lassen.
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Besondere Vorteile bringt der Erfindungsgedanke bei seiner Verwendung
bei der stereoakustischen Übertragung von Tönen, z. B. bei der Aufnahme oder Wiedergabe,
indem z. B. zwei oder mehr Zweigruppensysteme verwendet werden, die an getrennte
Leitungen angeschlossen sind.
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Die Erfindung und weitere Einzelheiten werden an Hand der Fig. I
bis 6 für Schallempfänger beispielsweise erläutert.
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Mit einer Zweiergruppe, wie sie in Fig. I dargestellt ist, sie besteht
aus zwei Mikrofonen M1 und M2, die in einem Abstand d angeordnet sind, kann bei
einer bestimmten Frequenz eine ganz bestimmte Richtcharakteristik erreicht werden,
wie sie beispielsweise in Fig. 2 dargestellt ist. Die Form dieser Charakteristik,
die gegenüber der Gruppenkombination als Zentralcharakteristik bezeichnet werden
kann,
kann beispielsweise auf experimentellem Wege ermittelt werden für die jeweiligen
Zwecke, die mit der Anordnung verfolgt werden, indem z. B. der Abstand der beiden
Mikrofone geändert wird. Diese Abstandsänderung bedeutet nämlich, wie die vorhergehenden
Darlegungen gezeigt haben, auch eine Änderung der Form der Charakteristik. Die dargestellte
Charakteristik zeigt in großen Zügen die Form einer Acht. Durch Änderung des Abstandes
der beiden Mikrofone kann die Acht, im großen gesehen, schmaler und breiter gemacht
werden. Wenn die in Fig. 2 dargestellte Charakteristik für eine Frequenz von z.
B. gooo Hz gelten soll, so würde der Abstand der beiden Mikrofone M, und M2 in Fig.
I d 0,5. ' A sein, d. h. etwa 3 cm. Damit nun diese oder wenigstens eine gleichartige
Charakteristik für eine andere Frequenz erzielt wird, z. B. für 3000 Hz, so muß
der Abstand der dies bewirkenden Mikrofongruppe 5 cm sein. Auf diese Weise kann
eine beliebig große Zahl von Mikrofongruppen zusammengestellt werden, so daß der
ganze Frequenzbereich praktisch mit derselben Richtcharakteristik übertragen wird.
Theoretisch gesehen, müßte die Zahl der Gruppen eigentlich sehr groß sein; in der
Praxis kommt man aber mit einer verhältnismäßig kleinen Gruppenzahl aus, da jede
Gruppe nicht nur die errechnete Frequenz brauchbar überträgt, sondern ein mehr oder
weniger breites Frequenzband. Es können auch auf diese Weise für die Praxis brauchbare
Resultate bereits mit sechs Mikrofongruppen erreicht werden, die in Fig. 3 dargestellt
sind. Die einzelnen Mikrofone, die durch Kreise angedeutet sind, sind auf einem
gemeinsamen Träger T, z. B. einer Stange, angeordnet. Die einzelnen Mikrofongruppen
sind mit I bis VI bezeichnet und ihre Abstände mit dI bis dvI.
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Von der Mitte der Stange aus gerechnet ändern sich die Abstände der
Mikrofone untereinander, und zwar auf beiden Seiten in gleichem Maße. Die für die
Erzielung einer gleichmäßigen Charakteristik sich ergebenden Werte für die Abstände
bei den verschiedenen Frequenzen ergeben sich aus der Tabelle in Fig. 4. Wie die
in dieser Tabelle aufgeführte Rubrik »Bereich« zeigt, kann mit einer derartigen
Mikrofonanordnung ein Frequenzband von 480 bis 8000 Hz mit praktisch gleichbleibender
Charakteristik erfaßt werden. Es ist natürlich ganz klar, daß es sich bei dieser
Darstellung nur um ein Ausführungsbeispiel handelt und daß die Aufteilung und Zahl
der Gruppen je nach den vorliegenden Verhältnissen verändert werden kann. Ebenfalls
ist es ohne weiteres einzusehen, daß auch noch tiefere Frequenzen, sofern das gewünscht
ist, erfaßt werden können. In der Praxis liegt aber hierfür im allgemeinen kein
so großes Bedürfnis vor, weil die tiefen Frequenzen an sich schon zur Richtwirkung
wenig beitragen. Diese Frequenzen können daher auch gegebenenfalls durch ein Tieftonmikrofon
aufgenommen werden, das an die Leitung der Gruppenkombination angeschlossen ist.
In dem beschriebenen Ausführungsbeispiel umfaßt die Gesamtanordnung der Mikrofone
eine Länge von etwa 25 cm, dem Abstand der tiefsten zu übertragenden Frequenzen
entsprechend.
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Die einzelnen Mikrofongruppen I bis VI werden elektrisch zusammengeschaltet,
wie dies Fig. 5 für drei Gruppen im Prinzip zeigt. Im Falle der Fig. 5 sind die
beiden Mikrofone jeder Gruppe und die einzelnen Gruppen zueinander parallel geschaltet;
die sonst mitzuverwendenden bekannten Schaltung mittel, z. B. Verstärker, sind nicht
dargestellt.
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Damit jede Gruppe auch nur die Frequenz bzw. den Frequenzbereich
überträgt, auf die bzw. den sie abgestimmt ist, können folgende Vorkehrungen getroffen
werden. In dem Stromkreis eines jeden Mikrofons bzw. einer jeden Mikrofongruppe
kann ein Filter, vorzugsweise ein Bandfilter F (Fig. 5), eingeschaltet sein, das
jeweils nur diejenige Frequenz bzw. denjenigen Frequenzbereich durchläßt, auf den
die Mikrofongruppe abgestimmt ist. In Anlehnung an das Ausführungsbeispiel muß also
das Filter F1 von 480 bis 800 Hz durchlassen, das Filter F11 von 8ovo bis I300 Hz
und das Filter FIII von I300 bis 2000 Hz.
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Eine ähnliche Wirkung wie bei Bandfiltern, die auf dem Prinzip der
elektrischen Resonanzen beruhen, kann auch mit akustischen Resonanzen erreicht werden,
indem z. B. vor die einzelnen Mikrofone auf die zu übertragende Frequenz abgestimmte
Pfeifen gesetzt werden, die durch verschiedene Längen auf die gewünschte Frequenz
abgestimmt werden können.
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Fig. 6 zeigt eine solche Anordnung für eine Dreiergruppe mit Pfeifen
P gleichen Durchmessers und dementsprechend verschiedener Länge. Mit zunehmendem
Abstand oder auch mit abnehmender Frequenz werden die einzelnen Pfeifen länger.
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Ein anderer Weg besteht darin, die gewünschte Abstimmung durch entsprechende
Ausbildung der mechanischen Konstruktion des Mikrofons zu bewerkstelligen, beispielsweise
durch entsprechende Wahl der Dimension und des Materials der Membran bzw. des Kristalls.
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Wenn die eine Hälfte der Acht für die Aufnahme nicht gebraucht wird
und störend wirken kann, so besteht die Möglichkeit, diese Aufnahmeseite der Mikrofone
durch geeignete Schalldämmittel praktisch stillzulegen.
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Für die Anwendung des Erfindungsgedankens bei der stereoakustischen
Übertragung zeigt Fig. 7 das Prinzip. Für die Aufnahme werden zwei Zweiersysteme
S, und S2 vorgesehen, die auf die beiden genannten Kanäle Kl und K11 arbeiten, die
zu einer entsprechenden Lautsprecheranordnung oder zu Aufzeichnungsgeräten führen.
Es können hier natürlich auch mehrere Zweiersysteme vorgesehen werden, die jeweils
ebenfalls auf getrennte Kanäle arbeiten können oder aber unter entsprechender Verteilung
ihrer Energie auf weniger Kanäle, z. B. auf zwei Kanäle.
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Es ist ohne weiteres einzusehen, daß die Erfindung sich nicht nur
für Schallempfänger verwirklichen läßt, wie es in den Ausführungsformen der Erfindung
beschrieben ist, sondern auch für Schallstrabler, also Lautsprecher, da die empfangene
und ausgestrahlte Leistung eines beliebig gestalteten Strahlers nach den gleichen
Gesetzen von der Richtung abhängt.
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Das Analogon für Lautsprecher ergibt sich am einfachsten bei Lautsprecherkonstruktionen
mit
Membranen, also bei solchen Konstruktionen, die im Prinzip den
Mikrofonkonstruktionen entsprechen. Bei Trichterlautsprechern ist die Trichteröffnung
als Membran aufzufassen, da der eigentliche Trichter nur nach Art eines Transformators
zur Anpassung der Öffnungsfläche an die kleine Dimension des Ohres dient. Ähnlich
wie bei den Mikrofonen die Membran, können auch hier die Trichteröffnungen klein
gegenüber der Wellenlänge sein. Trotzdem kann durch die erfindungsgemäße Kombination
eine über den ganzen Frequenzbereich praktisch gleichmäßige Richtwirkung erzielt
werden.