DE868076C - Einrichtung zur elektro-mechanischen Schwingungsuebertragung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein elektrisch betriebenes Schwingsystem, insbesondere auf eine Schallaufzeichnungseinrichtung.

Die zuerst bekanntgewordenen Phonographen enthielten ein Schwingsystem, welches durch die elektrischen Ströme betätigt wurde, die die aufzuzeichnenden Ströme darstellen. Das Schwingsystem trieb den Schneidstift an. Wie bei rein mechanisch schneidenden Einrichtungen entstehen bei diesen Systemen durch die Eigenschwingungen der einzelnen schwingenden Teile nachteilige Wirkungen. Durch verschiedene Verfahren hat man versucht, diese Nachteile zu vermeiden. So hat man versucht, die Eigenschwingungen des Systems außerhalb des

für die Aufzeichnung verwendeten Frequenzbereichs zu legen. Andere Vorschläge gingen in der Richtung das Schwingsystem durch mechanische und/oder elektrische Mittel zu dämpfen. Jedoch befriedigt keines dieser Verfahren vollständig.

Ein weiteres Verfahren, das in Vorschlag gebracht worden ist, besteht in der Verwendung der negativen Rückkopplung. Hierbei läßt das bewegliche System einen elektrischen Strom entstehen, der von der Bewegung des Systems abhängig ist. Der Strom wird zu dem Aufzeichner zurückgeführt, und zwar außerphasig mit dem Antriebsstrom. Die Theorie der Wirkungsweise eines derartigen Aufzeichners ist ähnlich der Theorie des bekannten Verstärkers mit

negativer Rückkopplung. Theoretisch kann man eine beträchtliche Verminderung der Verzerrung, die infolge von Resonanzen im Schwingsystem auftritt, erreichen. Es hat sich jedoch herausgestellt, daß in. der Praxis erhebliche Schwierigkeiten entstehen, wenn die Phasenlage zwischen der rückgekoppelten Energie und der Eingangsenergie nicht bei allen Frequenzen richtig ist, da dann !Instabilität und Pfeifen bei gewissen Frequenzen auftritt und das ίο System gänzlich unstabil wird. Die Bedingung dafür, daß diese !Instabilität nicht auftritt, besteht darin, daß die Phasenverschiebung innerhalb i8o° ± i8o° liegen muß, und zwar für alle Frequenzen, bei denen eine Verstärkung in der durch den Verstärker, den Aufzeichner und den Rückkopplungskreis gebildeten Schleife vorhanden ist. Nun können die Phasenverschiebungen in den elektrischen Teilen des Geräts, z. B. im Verstärker und im Rückkopplungskreis, vergleichsweise leicht innerhalb der verlangten Grenzen gehalten werden. Die Hauptquelle der Phasenverschiebung liegt in dem mechanischen Schwingsystem selbst, d. i. nämlich die Phasenverschiebung zwischen der am System liegenden Antriebskraft und der sich ergebenden Geschwindigkeit. Diese muß unbedingt innerhalb der verlangten Grenzen liegen.

Erfindungsgemäß wird die geforderte Phasenbeziehung im Schwingsystem dadurch sichergestellt, daß ein System mit nur einer einzigen Resonanz verwandt wird, dessen Phasenverschiebung bei allen Frequenzen von Null bis Unendlich nur ± 90° beträgt. Dieser Wert liegt selbstverständlich innerhalb der geforderten Grenzen. Es hat sich als besonders günstig erwiesen, die Resonanzspitze in den Frequenzbereich zu legen, bei dem die Einrichtung arbeiten soll. Da man auf diese Weise die Stabilität des Schwingsystems erreicht hat, kann die negative Rückkopplung so eingestellt werden, daß die Wirkungen der Resonanzspitze beseitigt werden, und man erhält dann eine flache Ansprechkurve des ganzen Systems.

Gegenstand der Erfindung ist hiernach eine elektrö-mechanische Einrichtung für die Umwandlung elektrischer Ströme hörbarer Frequenz in eine mechanische Aufzeichnung solcher Ströme, deren Schwingsystem ein elastisch aufgehängtes Glied enthält, welches in einem Luftspalt die Antriebsspule und in einem anderen Luftspalt die angetriebene (Rückspeisungs-)'Spule enthält, mit der Besonderheit, daß die Masse und die Steifheit des Schwingsystems so'bemessen sind, daß dieses nur eine einzige Resonanzfrequenz aufweist, welche innerhalb des Arbeitsfrequenzbereichs liegt.

Ein weiteres Merkmal der Erfindung besteht darin, daß zwischen den beiden Luftspalten ein ununterbrochenes Abschirmglied aus nicht magnetischem, gut leitendem Material, z. B. Kupfer, angebracht ist, so daß sekundäre Resonanzen, die durch die Kopplung zwischen den Spulen entstehen können, vermieden werden.

In weiterer Ausbildung empfiehlt die Erfindung, daß die Träger des Schwingsystems und großflächige Teile desselben mit einer Anzahl von Durchbrechungen versehen sind, um den freien Durchtritt der Luft zu gestatten. Hierdurch werden sekundäre Resonanzen infolge im Schwingsystem eingeschlossener Luftmassen vermieden.

Ein weiteres Merkmal besteht in der Anbringung einer dritten festen Spule in der Nähe der Rückspeisungsspule. Diese feste Spule ist der Rück-Speisungsspule entgegengeschaltet, so daß die in der Rückspeisungsspule durch das Feld der Antriebsspule induzierten Ströme neutralisiert werden.

Noch weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Erläuterung der in der Zeichnung dargestellten erfindungsgemäßen elektromechanischen Aufzeichnungseinriohtung. Es zeigt

Fig. ι eine Aufzeichnungseinrichtung in teilweisem Schnitt,

Fig. 2 in vergrößertem Maßstab das Schwingsystem eines Schallauf Zeichners im Schnitt,

Fig. 3 eine schematische Schaltung eines Aufzeichnungssystems mit einem Schallauf zeichner nach der Erfindung,

Fig. 4 bis 7 verschiedene Ausführungsvarianten für das Schwingsystem eines Schallauf Zeichners.

In den Fig. 1 und 2 hat der Magnet 11 ein zentrales Polstück 12 und ein äußeres Polstück 13, das einen ringförmigen Spalt 14 für die Hauptantriebsspule 15 bildet. Ein zweites äußeres Polstück 16 bil- det mit der Verlängerung 17 des zentralen Polstückes 12 einen Spalt 18 für die Rückspeisungsspule 19. Das steife Konusglied 20, an dem die Spulen befestigt sind, ist an seiner Spitze mit einem Halter 21 für einen (Schneid-)Stift 22 und einer V-förmigen Auslegerfeder 23 versehen, die zum Halten und Führen des Schwingsystems an dem Polstück 16 befestigt ist. Das ganze Schwingsystem wird ferner zur Ermöglichung von Vertikalschwingungen durch eine Membran 24 gehalten, die mit einer Versteif ungswellung 25 zur Verhinderung lokaler Resonanzeffekte versehen ist.

Die Rückspeisungsspule 19 ist von dem Feld, das von der Antriebsspule 15 erzeugt wird, durch einen Kupferring 26 zwischen den Polstücken und einen zweiten Kupferring 27 abgeschirmt, der die Polverlängerung 17 umgibt. Diese Ringe und Polstücke bilden in der Nähe der Membran 24 und des Konus 20 eine Anzahl kleiner Luftkammern, die normalerweise infolge der Steifheit der eingeschlossenen Luft Resonanzerscheinungen hervorrufen würden. Diese werden aber dadurch vermieden, daß die Membran 24 und der Konus 20 mit einer größeren Anzahl von Durchbrechungen 28 verseihen sind, durch die die Luft durch das Schwingsystem hindurchtreten kann, so daß ihre Steifheit auf ein nicht mehr schädliches Maß verringert wird.

Da die Zwischenräume um das Schwingsystem auf das praktisch mögliche kleinste Maß beschränkt sind, um eine hohe Flußdichte zu erhalten, bilden die Ringe 26 und 27 zwischen der Antriebs- und der Rückspeisungsspule einen praktisch ununterbrochenen Kupferschirm, der besonders bei den höheren Frequenzen wirksam ist, bei denen die Abschirmung am wichtigsten ist. Wenn jedoch die auf diese Weise erhaltene Abschirmwirkung besonders bei niedrige-

ren Frequenzen nicht ausreichen sollte, so kann gegebenenfalls eine dritte Spule 29 in der in Fig. 2 dargestellten Weise in einer Vertiefung des Ringes 27 und in der Nähe der Kopplungsspule angeordnet werden, so daß sie ungefähr unter dem gleichen induktiven Einfluß der Antriebsspule wie die Rückspeisungsspule steht. Wenn eine derartige zusätzliche Spule verwendet wird, wird sie in den Rückkopplungsstromkreis in Serie zu der Rück-Speisungsspule eingeschaltet, so daß sie dieser entgegenwirkt.

Bei Rüekkopplungs- oder Rückspeisungssystemen dieser Art, die eine doppelte Energieumwandlung, nämliuh von elektrischer in mechanische und wieder zurück in elektrische Energie, nötig machen, ist eine hohe Verstärkung auf dem Rückspeisungs- bzw. Rückkopplungsweg erforderlich, um eine flache Ansprechcharakteristik zu erhalten. Dabei muß besondere Sorgfalt darauf verwendet werden, daß die Rückkopplung eine negative bleibt. Bekanntlich ruft jede Vakuumröhre eine Phasenverschiebung um i8o° hervor, und andere Teile des Systems, z. B. der Ausgangstransformator bzw. -Übertrager, bedingen weitere Phasenverschiebungen, die sich mit der Frequenz ändern, so daß ein sorgfältiger Aufbau und eine vorsichtige Einregelung des Schallaufzeichners zusammen mit seinem Antriebsverstärker nötig ist, um die Stabilität des Systems über einen breiten Frequenzbereich aufrechtzuerhalten, wie es für eine hochwertige Schallaufzeichnungseinrichtung unerläßlich ist.

Bei der in Fig. 3 dargestellten Schaltung, die eine Yerstärkeranordnung zeigt, die sich bei dem erfindungsgemäßen Schallaufzeichner als zweckmäßig ergeben hat, werden die aufzuzeichnenden Signalströme von einer geeigneten Quelle, z. B. einem Mikrofon 30, entnommen und durch einen Verstärker 31 in üblicher Weise auf einen Zwischenwert verstärkt. Die von diesem Verstärker abgegebene Leistung passiert dann die Röhre 32, wo sie mit der in einer nachstehend näher beschriebenen Weise mit der vom Aufzeichner kommenden Rückkopplungsenergie kombiniert wird, und die erforderlichen weiteren Verstärkerstufen, ζ. B. 33, 34 und 35, und gelangt zur Antriebsspule 15 des Schallauf Zeichners. Das Schwingsystem desselben treibt den Schneidstift 22 an, der entsprechend den aufgedrückten Signalströmen den Plattenschnitt vornimmt. Gleichzeitig bewegt es auch die Rückspeisungsspule 19 und erzeugt dadurch in ihr eine der Schneidstiftgeschwindigkeit proportionale Spannung.

Die vom Verstärker 31 kommenden Signale, die bereits eine ziemliche Stärke haben, werden über den Übertrager 36 und den Lautstärkeregler 37 dem Sperrgitter 38 der Röhre 32 aufgedrückt, während die Rückkopplungsspannung der Spule 19 dem Steuergitter 39 über die Leitungen 40, 41 und erforderlichenfalls über eine geeignete Phasenverschiebungsschaltung 42 zugeführt wird. Auf diese Weise wird die Verstärkung auf dem Rückkopplungsweg höher als die für die ankommenden Signale, ohne daß in den Rückkopplungskreis zusätzliche Verstärker eingefügt werden.

Als weiteres Mittel zur Stabilisierung des Systems und zur Erreichung einer flachen Ansprechkurve kann die Verstärkereinrichtung mit einer inneren negativen Rückkopplung von der Anode 43 der Röhre 35 zum Schirmgitter44 der Röhre33 ausgerüstet sein. Dieser Stromkreis kann einen Widerstand 45 mit einem dazu parallel liegenden Kondensator 46 und einen vor dem Schirmgitter 44 liegenden Reihenkondensator 47 sowie einen Kondensator 48 enthalten, welch letzterer zu einem einstellbaren Teil eines Widerstandes 49 parallel liegt, über den in üblicher Weise vom Gleichrichter 50 dem Gitter 44 das Potential zugeführt wird. Die Kapazität des Kondensators 48 ist so bemessen, daß die Rückkopplung für hohe Frequenzen geringer wird und die Ansprechfähigkeit des Schallaufzeichners auf einem günstigen Niveau in einem Bereich bleibt, in dem sie sonst abzufallen neigt. Der kleine Kondensator 46 sichert die Phasenverschiebung und verhindert ein Positivwerden der Rückkopplung und das Eintreten einer !Instabilität bei Überhörfrequenzen. Dieser innere Rüdkkopplungskreis setzt auch eine Oberschwingungsverzerrung herab, verbessert den Impedanzausgleich zwischen der Röhre 35 und dem Schallaufzeichner. Er vermindert auch die unerwünschte Phasenverschiebung im Ausgangstransformator 51.

Während der die Spulen 15 und 19 und den Stift 22 des Schallaufzeichners tragende Teil 20 in Fig. 1 als starrer Konus dargestellt ist, kann er auch andere Formen halben, von denen einige Beispiele in den Fig. 4 bis 7 dargestellt sind.

In Fig. 4 besteht das Schwingglied 60 aus einem oberen Zylinderteil 61 für die Spule 15 und einem unteren zylindrischen Teil 62 für die Rückspeisungsspule 63, der mit dem oberen Teil 61 durch einen konischen Teil 64 verbunden ist.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 5 ist ein zylindrischer Träger 65 für beide Spulen 15 und 66 vorhanden. Letztere ist ebenso wie die Spule 63 in Fig. 4 zylindrisch ausgeführt. Derartige Spulen sind nicht nur leichter herzustellen und einzubauen als die Spule 19 nach Fi.g. 1, sondern sie ermöglichen auch die Anwendung eines kurzen senkrechten Laufspaltes, der eine große Flußdichte an der Spule und daher eine höhere Rückspeisespannung bedingt.

Der Spulenträger 6γ gemäß Fig. 6 und 7 hat einen oberen zylindrischen Teil 68 für die Antriebsspule 15 und verjüngt sich zu einem schmalen rechteckigen Teil 70 beim Schneidstift 22. Innerhalb des flachen Teiles 70 und im rechten Winkel zu der Ebene der Spule 16 ist eine rechtwinklige Spule 71 angeordnet, deren eine Seite in dem Spalt zwischen den Polstücken 16 liegt. Da die beiden Spulen bei dieser Ausführung keine Gegeninduktion haben, wird das Problem der Abschirmung äußerst vereinfacht, und in vielen Fällen ist überhaupt keine Abschirmung zwischen den Spulen erforderlich.

Claims (7)

1. Patentansprüche:

   i. Elektro-mechanische Einrichtung für die Umwandlung elektrischer Ströme hörbarer Frequenz in eine mechanische Aufzeichnung solcher

   Ströme mit.einem zwei getrennte Luftspalte (14 und 18) enthaltenden magnetischen Kreis und einem Schwingsystem, das ein elastisch aufgehängtes Glied (20, 60, 65 oder 67) enthält, welches eine in einem Luftspalt (14) untergebrachte Antriebsspule (15) und eine in einem anderen Luftspalt (18) angebrachte angetriebene (Rückspeisungs-) Spule (19, 63, 66 oder 71) trägt, dadurch gekennzeichnet, daß die Masse und Steifheit des Sohwingsystems so bemessen sind, daß dieses eine einzige Resonanzfrequenz in dem Frequenzbereich hat, in dem die Einrich-. tung arbeitet.
2. 2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den beiden Luftspalten (14. und 18) ein ununterbrochenes nichtmagnetisches Abschirmglied· (26) guter Leitfähigkeit, z. B. aus Kupfer, angeordnet ist, so daß der induktive Einfluß einer Spule auf die andere verringert ist.
3. 3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das elastisch aufgehängte Glied (20) und sein Halter (24) eine Anzahl von Durchbrechungen (28) aufweisen, so daß während des Schwingens des Systems ein Luftdruckausgleich stattfindet.
4. 4. Einrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine in der Nähe der angetriebenen (Rückspeisungs-) Spule (19) angeordnete und dieser entgegengeschaltete feste Spule (29), welche die Ströme neutralisiert, die von der Antriebsspule (15) durch die von dieser bewirkten Feldänderungen in der erwähnten (Rückspeisungs-) Spule (19) induziert werden.
5. 5. Schallaufzeichnungsgerät nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verringerung der gegenseitigen Induktion die Ebene der angetriebenen (Rückspeisungs-) Spule (71) im rechten Winkel zu der der Antriebsspule (15) steht.
6. 6. Schallaufzeichnungsgerät nach Anspruch 1, bei dem das magnetische System ein zentrales Polstück (12) und zwei ringförmige Gegenpolstücke (13) aufweist, die zwei voneinander getrennte ringförmige Luftspalte (14 und 18) bilden, dadurch gekennzeichnet, daß das Schwingsystem aus einem steifen, die antreibende (15) und die getriebene (Rückspeisungs-) Spule (19) tragenden konischen Glied (20) besteht, das an seiner Spitze den Aufzeichnungsstift (22) trägt und in der Näihe seiner Basis von einer flexiblen Membran (24) sowie in der Nähe seiner Spitze von einer Auslegerfeder (23) gehalten wird, und daß zwischen- den ringförmigen Polstücken (13) ein ununterbrochener Schirm (26) aus gut leitendem Material, z. B. Kupfer, und um das zentrale Polstück (12) zwischen den Luftspalten eine Umkleidung (27) aus ähnlichem Material vorgesehen ist.
7. 7. Schallaufzeichnungsgerät nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (24) und das konische Glied (20) mit einer Anzahl von Durchbrechungen (28) versehen sind und daß eine feststehende Spule (29) am zentralen Polstück (12) in der Nähe der angetriebenen (Rückspeisungs-) Spule (19) angeordnet und dieser entgegengeschaltet ist.

   Angezogene Druckschriften:
   Britische Patentschrift Nr. 350 998;
   deutsche Patentschriften Nr. 357 316, 400 634; USA.-Patentschriften Nr. 1 535 538, 1 645 582.

   Hierzu ι Blatt Zeichnungen

   5712 2.53