Einrichtung zur Umsetzung -von elektrischer Energie in Schallenergie und umgekehrt. Die Erfindung bezieht sich auf eine Ein t' zur Umsetzung von elektrischer Energie in Schallenergie und umgekehrt, in welcher eine Membrane vorhanden ist, deren eine Fläche dem freien Luftraum zugekehrt ist, und bezweckt eine solche Ausbildung der selben, .dass die Ansprechfähigkeit in einem gewünschten Frequenzbereich, zum Beispiel bei niedrigen Frequenzen, erhöht wird, so dass dadurch die Frequenzen in diesem Frequenz bereich, also zum Beispiel die tieferen Laute und Töne der Sprache und Musik naturge treuer wiedergegeben werden.
Erfindungsgemäss wird dies da-durch er reicht, .dass die nicht dem freien Luftraum zugekehrte Fläche dieser Membrane .durch ein Gehäuse, welches einen nach der dem freien Luftraum ausgesetzten Fläche der M!erd'@rane führenden Durchgang besitzt, um geben ist, wobei das genannte Gehäuse und .der genannte Durchgang so dimensioniert sind, dass das in denselben vorhandene Flui dum sowohl ein Steifigkeitselement,
als auch Massenelemente eines akustischen Filters lie fert, derart, dass die von jeder Fläche der genannten Membrane umgesetzten Schwin gungen im gewünschten Frequenzbereich ein ander unterstützen. Die vorliegende Erfindung lässt sich vor teilhaft auf Lautsprecher anwenden, wodurch der Strahlungswiderstand per Flächeneinheit der Lautsprechermembran bei niedrigen Fre quenzen durch einen akustischen Weg wirk sam erhöht werden kann, vorausgesetzt, dass dieser Schallweg in nächster Nähe der Mem bran mündet uhd eine Mündungsfläche auf weist, die ungefähr gleich derjenigen der Membrane ist.
Die Erfindung lässt sich ebenfalls bei Vorrichtungen zur Umsetzung von Schall wellen in elektrische Schwingungen anwen den, indem sich ,dort eine Erhöhung .der Schwingungsamplitude des Schwingungs elementes erreichen lässt, und zwar dadurch, dass man einen Teil der umzusetzenden Schwingungen der hintern Membranenfläche über das akustische Filter zuführt.
Die Erfindung wird nachstehend anhand einiger Ausführungsbeispiele und der bei liegenden Zeichnung erläutert.
In der Zeichnung zeigt Fig. 1 die Vorderansicht eines als Laut sprecher ausgebildeten Ausführungsbeispiels, Fig. 2 einen durch die Ebene 2-2 der Fig. 1 geführten Schnitt dieser Einrichtung, Fig. ä eine schematisch vereinfachte Dar- stellung der Einrichtung der Fig. 1 und 2, Fig. 4 das :
der Einrichtung der Fig. 1 und 2 gleichwertige Ersatzschema, Fig. <B>5</B> Kennlinien der Einrichtung der Fig. 1 bei offenen und geschlossenen Durch lassrohren 4, Fig. 6 einen Sfchnitt durch eine weitere Ausführungsform der Erfindung, Fig. 7 eine Ansicht einer dritten Aus führungsform der Erfindung, Fig. 8 einen durch die Ebene 8-8 der Fig. 7 gelegten Schnitt dieser dritten Aus führungsform,
Fig. 9 einen Schnitt du rch ein als Mikro phon ausgebildetes Ausführungsbeispiel, Fig. 10 :das Ersatzschema zu Fig. 9, Fig. 11 das Ersatzschema des Mikrophons der Fig. 9 bei geschlossenem Rohr 54, Fig. 12 Kennlinien des Mikrophons der Fig. 9 im untern Frequenzbereich bei offenem und geschlossenem Durchlassrohr 54, Fig. 13 die Gesamtübertragungskennlinie des Mikrophons der Fix.
9 bei offenem und geschlossenem Durchlassrahr 54.
Der Lautsprecher nach Fig. 1 besteht aus einem rechteckigen Gehäuse 1, dessen Wände, die durch Schrauben 3 zusammengehalten werden, hinter der Membrane 7 eine Kammer 5 bilden.
Die Membran 7 besteht vorzugsweise aus leichtem Material, zum Beispiel aus einer Aluminiumlegierung. Sie weist einen ge- krümmten mittleren Teil und einen .diesen umgebenden, in umgekehrter Weise ge krümmten weiteren Teil auf, der nach dem Rand hin flaeh verläuft.
Die Membran ist in eine Üffnung .der Vorderwand 15 :des Ge- häuses 1 eingesetzt und ist an ihrem Rand durch passende Mittel, zum Beispiel durch ein Halteglied 8 und Schrauben 1.1 am Ge häuse befestigt. Die Schwingspule 9 ist an .der hintern Fläche der Membran befestigt und ist in einem vom Magneten 10 -gebil deten Luftspalt angeordnet.
Dieser Magnet kann entweder als Dauermagnet .oder als Eaektromagnet ausgebildet sein. :Der zen trale Polteil 17 des Magnetes ist vorzugs weise hohl, ,so dass eine röhrenförmige Öff nung 11 entsteht, durch welche Schallschwin gungen, die durch die hintere, innerhalb der Spule 9 liegende Fläche der Membran aus gestrahlt werden, leicht in die Kammer 5 gelangen können. Der Magnet 10 wird durch ein Tragkreuz 13 gehalten, welches seiner seits .durch eine Mehrzahl vertikaler, auf der Innenseite der Vorderwand 15 befestigte Träger 12 getragen wird.
Die Innenfläche ,der Kammer 5 ist vorzugsweise mit Lagen aus Haarfilz oder anderem passendem, schall- aabsorbierendem Material solcher Dicke ausge füttert, dass einerseits keine Reflexion der durch :
die hintere Membranfläche abgege benen Schallschwingungen hoher Frequenz entsteht und anderseits die untern Frequen zen praktisch keine Dämpfung erleiden. Eine Mehrzahl röhrenförmiger, an beiden Enden offener Glieder 4 bilden einen von der Kam mer .5 nach dem freien Luftraum führenden Durchgang. Diese röhrenförmigen Glieder werden vorzugsweise so nahe wie möglich an die Peripherie der Membran gelegt.
Wie ge zeigt, fällt das eine Ende der röhrenförmigen Glieder praktisch mit der Vorderfläche der Vorderwand 15 zusammen, während das an dere Ende in die Kammer 5 ragt. Beim Durchgang eines Wechselstromes durch die !Spule 9 entsteht ein veränderliches: Feld, das mit -dem konstanten Feld des Magnetes 10 zusammenwirkt. Dadurch wird die Mem bran 7 in Schwingung versetzt und es ent stehen Schallschwingungen, die sich durch das anstossende Fluidum ausbreiten.
Die Schallwellen, welche durch -die hintere Mem- branfläche erzeugt werden, insbesondere die mit niedrigen Frequenzen, werden durch die erwähnte Kammer und die Austrittsöffnun gen 4 geleitet und beim Austritt mit den durch die vordere Membranfläche erzeugten kombiniert, so dass die Schallwellen niedriger Frequenz verstärkt werden.
Zum bessern Verständnis der Wirkungs welse des Ausführungsbeispiels nach Fig. 1 sollen an .dieser Stelle einige theoretische Be- rachtungen der Vorgänge folgen.
Theorie -and Messungen zeigen, .dass all gemein Lautsprecher mit direkter Strahlung und von mässiger Grösse bei niedrigen, Fre quenzen eine relative kleine Ansprech- und eine unzulängliche Leistungsfähigkeit be sitzen. Beim oben beschriebenen Lautspre cher wird die Membran 7 beidseitig ausge nützt und daher der Strahlungswiderstand per Flächeneinheit der Membran erhöht. In folge der akustischen Steifigkeit und Masse wird die Luftverschiebung von der hintern Seite der Membran bis zum Austritt um un gefähr 180 " in der Phase verschoben.
Die akustische Steifigkeit lässt sich aus dem Luft volumen in der auf der hintern .Seite der Membran sich befindenden Kammer 5 ermit teln und die akustische Masse ist durch -die in den Austrittsöffnungen befindliche Luft gegeben. Die Phasenbeziehung der Raum geschwindigkeit der Membran und der Luft in der Austrittsöffnung kann etwa mit der jenigen in einer elektrischen .Spulenkette ver glichen werden, in der die .Ströme in den beiden angrenzenden Reihenarmen, .die kleine Widerstände enthalten, oberhalb -der Grenz frequenz des Filters nahezu 180 phasen verschoben sind.
Die akustische Anlage unterscheidet sich bezüglich der Austritts leistung beträchtlich vom elektrischen Filter, indem der Strahlungswiderstand und :die Luftmasse der Membran und der entspre chende Strahlungswiderstand und die Luft masse des Durchganges eine gegenseitige Re aktion aufeinander ausüben und weiterhin die ihnen entsprechenden akustischen Impe danzen mit der Frequenz variieren. Eine Lösung dieses Problems ist eher kompliziert; macht man jedoch einige vereinfachende An nahmen, so kann eine allgemeine Idee des Gewinnes an @Schallaustrittsenergie erhalten werden.
Wird nämlich die Fläche des Durch ganges gleich der wirksamen Fläche der Membran gemacht, und nimmt man eine Fre quenz an, bei,der die .SchwingUngsgeschwin- digkeit der Membran gleich der :Schwingungs geschwindigkeit der Luft im Durchgang ist, so wird die wirksame Strahlungsfläche ver doppelt und der Strahlungswiderstand wird, verglichen mit demjenigen einer für sich allein wirkenden Membrane, ebenfalls ver doppelt. Infolgedessen wird für die gleiche Amplitude der Membrane in den beiden Fäl len die Leistungsabgabe um ungefähr sechs Dezibel höher, wenn die Durchgänge offen sind.
Setzt man :die Frequenz herab, so wird die Luftgeschwindigkeit im Durchgang ge genüber derjenigen der Membrane erhöht und ergibt auf diese Weise eine zunehmend grö ssere Widerstandsentlastung der Membrane gegenüber derjenigen, die bei gleicher Fre quenz bei geschlossenem Durchgang erhalten würde. Für Frequenzen bis zur Grenzfre quenz hinab ergibt dies eine stets grösser ausfallende Entdämpfung der Einrichtung. Oberhalb der einen Entdämpfungsgewinn von 6 Db. ergebenden Frequenz nimmt die Geschwindigkeit im Durchgang bei Zuneh men der Frequenz ab, bis die Geschwindig keit im Durchgang gleich Null wird.
Ober halb dieser Frequenz wirkt daher der Laut sprecher praktisch gleich, wie wenn der Durchgang geschlossen wäre.
Es wurde eine vereinfachte Theorie der Wirkweise dieser akustischen Einrichtung ausgearbeitet und eine Anzahl Berechnungs formeln ermittelt, und zwar für den Fall, dass die Durchgangsfläche gleich der wirksamen Fläche der Membrane und die Masse des mechanischen Bewegungselementes (Mem- bran und Spule) gleich :der Masse der Luft im Durchgang ist.
Die Anspreehfähigkeit eines in den Aus trittsstromkreis einer Elektronenröhre ge schalteten Lautsprechers kann in Einheiten der akustischen Leistung ausgedrückt wer den, welche ausgestrahlt wird, wenn eine konstante Wechselspannung in Reihe mit der elektrischen Impedanz der Triebspule und der Impedanz der Stromquelle aufgedrückt wird. Die Austrittsleistung des Lautspre chers ist die Summe der Produkte,
welche aus dem Quadrat der --'Wembrangescliwindig- keit bezw. der GeschwindiglLeit der Luft im Durahlass mit den für die Strahlung in Be tracht kommenden Widerständen gebildet werden.
Der Lautsprecher der Fig. 3 weist ledig lich eine einzige nach der hinter der Mem bran liegenden Kammer führende bffnung 18 auf, doch gelten unabhängig, ob eine oder mehrere Öffnungen verwendet werden, die gleichen theoretischen Betrachtungen, falls von der Flächengleichheit nicht abgewichen wird.
Zur Vereinfachung der Berechnungen sind folgende Annahmen gemacht worden: 1. Die Fläche der Durchgangsöffnung der Kammer sei gleich der wirksamen Fläche der Membran; 2. die Luftmasse in der Off- .nun,- sei gleich .der wirksamen Masse des beweglichen, mechanischen Elementes, und 3.
die Wellenlängen der betrachteten Schwin gungen seien gross gegen die Dimensionen der akustischen Einrichtung. Es sei E .die dem elektrischen Stromkreis auf gedrückte Wechselspannung, F die auf die Membrane ausgeübte me chanische Antriebskraft, Z, die mechanische Impedanz der Schwing spule, das heisst die einer mechanischen Impedanz gleichzusetzende, durch In- @duktionsströme in der bewegten Spule verursachte Hemmung, H die Feldstärke im Spaltraum des Mag netes, 7, die Drahtlänge .der beweglichen Spule, die Randsteifigkeits-Reaktanz der
EMI0004.0020
Membrane,
die Steifigkeits-Reaktanz des Luftvolu- mens der Kammer, ja n die Massenreaktaäz der Membrane, die gleich der Massenreaktanz des Luft volumens des Durchlasses ist, V .die Geschwindigkeit der in der Kammer, V1 die Geschwindigkeit der mit der in Berührung stehenden Luft partikelchen,
V: die Geschwindigkeit der Luftpartikel- chen des Durchlasses, A die effektive Fläche der Membrane, welche gleich der Fläche des Durch lasses ist, Z die Impedanz der Luft per Flächen einheit einer Fläche, die doppelt so gross ist, als die Fläche der Membrane, wobei :das Vorhandensein der Kammer und des Durchlasses ausser acht ge- la.ssen ist.
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und die -der Membrane bezw.
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der Durchlassöffnung entgegenwirken den Luftimpedanzen unter Berücksich tigung des Einflusses der Luft in der Kammer. Diese Ausdrücke sind nur annähernd richtig, a angenommen wird, dass die Wirkung der Luftmasse mit der Geschwindigkeit der in der Nähe der Membrane und des Durch lasses liegenden Luftpartikelchen än dert.
Die Kraft F ist als Funktion der Span nung E ausgedrückt gleich
EMI0004.0053
und Zo ist, falls die Impedanz im elektrischen Stromkreis als reiner Wirkwiderstand von der Grösse R angenommen wird, gleich
EMI0004.0055
Bei den Impedanzen
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und
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wird zum Zwecke unserer theoretischen Betrachtung auf Grund experimenteller Er gebnisse angenommen, dass die Wirkung der Luftmasse mit der Geschwindigkeit in glei- ,cher Weise .ändert, wie .d-er Strahlungs- widerstand. Diese Ausdrücke sind infolge dessen nur angenähert richtig.
Wendet man die Kircli$offschen Gesetze auf das Ersatzschema der F'ig. 4 an, so er gibt sich
EMI0005.0004
<I>F <SEP> = <SEP> Z@ <SEP> Vi <SEP> <B>+</B> <SEP> So</I> <SEP> Vi <SEP> <I>-,- <SEP> j <SEP> cum <SEP> V, <SEP> + <SEP> <U>AZV</U> <SEP> + <SEP> S <SEP> V</I>
<tb> <I>jm</I> <SEP> 2 <SEP> jca
<tb> <I>0=jmYYiVz+<U>AZV</U>+ <SEP> S <SEP> y,</I>
<tb> 2 <SEP> @m
<tb> V <SEP> = <SEP> Ui <SEP> + <SEP> V2 Falls Z = r + jx ist,
beträgt die abgegebene akustische Leistung
EMI0005.0008
( <SEP> .>
<tb> ZV <SEP> = <SEP> reeller <SEP> Teil <SEP> j <SEP> 2 <SEP> V# <SEP> <I>AZ <SEP> j <SEP> #</I>
<tb> y#i
<tb> --f <SEP> reeller <SEP> Teil <SEP> #<U>2 <SEP> #Q</U> <SEP> <I>AZ</I><B>I</B> <SEP> <I>#</I>
<tb> <I>V2</I> <SEP> <B>1</B> <SEP> <I>-= <SEP> 2# <SEP> V</I>
<tb> 1<I>1</I>
<tb> () Der Wert von V wird erhalten aus den oben angeführten Kirchhoffschen Gleichungen
EMI0005.0013
Indem man diesen Wert für V in Gleichung (1) substituiert, F als Funktion von<B>E</B> aus- drückt und durch. 10' dividiert, erhält man ,die abgegebene .akustische Leistung in Watt.
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Die folgenden elektrischen, mechanischen und akustischen Konstanten wurden einem erfindungsgemässen Experimentallautsprecher zugrunde gelegt: A = 558 cm2.
H = 15000 Gauss, l =<B>1330</B> cm, R = 36 Ohm, <I>Z = p CA</I><B>(X<I>+</I></B><I> i</I> Y), So = 2 X 10s Dyn/cin, S = 1 x 10s Dyn/cm, a = 10 Gramm wobei p = Dichte des Fluidums, C =Schallgeschwindigkeit, A - Fläche der als Kolben wirkenden Mein brave, X = Widerstandsfaktordieser Membrane, Y Reaktanzfaktor dieser Membrane. Dieser Experimentallautsprecher war kon struktiv demjenigen der Fig. 1 und 2 ähnlich.
Die Membran hatte einen wirksamen Durch messer von angenähert 25,6 cm (Fläche = 558 cm') und war in der Öffnung der Vorderwand eines Kastens von den Dimen sionen 115 cm X<B>115</B> cm X 46 cm montiert. Um .die Membran und unmittelbar daran an stossend waren üreizehn gleich distanzierte Öffnungen vo-ti 76 mm Durchmesser vorhan den, in die röhrenförmige Glieder aus Phe- nolfiber von 152 mm Länge eingepasst waren.
In dieser besonderen Ausführunb form ergab das Luftvolumen in der Kammer 5 und in ,den röhrenförmigen Gliedern 4 eine aku stische Steifigkeit und Masse, bei der die Grenzfrequenz 40 Hertz wurde.
Die Fig. 5 zeigt die Frequenzansprech- fähigkeit in Dezibel, und zwar zeigt darin die Kurve A die berechnete Frequenzkenn- linie dl -s oben beschriebenen Lautsprechers bei geschlossenen Durchlassöffnungen und die Kurve B die berechnete Frequenzkennlinie ,dieses Lautsprechers bei offenen Durchlassöff- nungen. Die Kurve C zeigt eine Kennlinie, die dadurch erhalten wurde,
.dass für bestimmte Frequenzen die Differenz zwischen den für den Irautsprecher mit offenen und geschlos senen Durchlassöffnungen gemessenen; Wer ten genommen und diese Differenz zu den Werten der für den Lautsprecher mit ge schlossenen Durchlassöffnungen errechneten Kennlinie hinzuaddiert wurde. Es ist aus diesen Kennlinien ersichtlich, dass die tat sächliche Ansprechfähigkeit mit der theo retischen Ansprechfähigkeit eng überein stimmt.
Falls eine ausgesprochene Spitze in der. Frequenzkennlinie in der Nähe der Grenzfrequenz verhindert werden soll, kann ein akustisches Dämpfungsmaterial in den Durchlassöffnungen vorgesehen werden.
Offensichtlich wird die Schaallaustritts- leistung von Lautsprechern mit direkt wir kenden Membranen -bei niedrigen Frequenzen vergrössert. Die von einem akustisch derart ausgebildeten Lautsprecher bewirkte Luftver- schiebung ist grösser, als die Verschiebung der Membrane, und das Verhältnis der Luft verschiebung zur Membranverschiebung nimmt zu,
wenn die Frequenz abnimmt und kompensiert so in grossem Masse die Abnahme im Strahlungswiderstand. Da die Leistungs fähigkeit direkt wirkender Lautsprecher durch die Bewegungsamplitude der Mem brane bei niederen Frequenzen begrenzt ist, lässt sich die Wichtigkeit dieser akustischen Vorkehrungen für die Übertragung grosser akustischer Leistungen von langen Orgel pfeifen und niederfrequenten Instrumenten des Orchesters ohne weiteres erkennen.
Ein erfindungsgemäss ausgeführter Lautsprecher wird daher die niederen Frequenzen von Sprache und Musik in angemessenerem Ver hältnis zu .den hohen Frequenzen reprodu zieren als dies bisher möglich war.
Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 6 ist statt eines rechtwinkligen Gehäuses hinter der Rückoberfläche der Membran ein zy- lindrischer Teil 22 angebracht, welcher aus Metall bestehen kann und an ein ringför miges Gied 24 anschliesst, welches eine Mem bran 7 ähnlich ,derjenigen der Fig. 2 und eine Mehrzahl röhrenförmiger Glieder 4 trägt, die einen Durchgang nach dem Aussenraum bil den. Der Teil 22 ist durch einen gewölbten Boden 27 abgeschlossen und bildet so die Kammer 28.
Der Magnet 10 wird durch einen Querträger 19 gehalten, welcher an seinen Enden an Winkelstücken 29 befestigt ist, die ihrerseits vermittelst Nieten oder auf andere Art und Weise an die innere Wand des Gliedes 22 angeschlossen sind. Die Basis 27 .des Gliedes 22 ist vorzugsweise leicht gekrümmt, um ein Mitschwingen zu verhüten und der Teil 22 ist vorzugsweise zylindrisch, um die Wirkung .der Eigenfrequenz seiner Wand praktisch zu eliminieren.
Im Ausührungsbeispiel der Fig. 7 und 8 bildet. eine zylindrische Trommel 31 mit einem leicht gekrümmten Boden 39 und einer ringförmigen Vorderwand 30, an der sie mittelst Bolzen 40 befestigt ist, hinter der Membrane 7 eine Luftkammer 32. Die Mem brane 7 ist ähnlich derjenigen der Fig. 2 aus gebildet und trägt eine Spule 9, die indem durch den Magneten 10 gebildeten Luftspalt angeorduet ist. Der Magnet 10 besitzt eben falls einen hohlen zentralen Pol.
Zylindrische Röhren 33 und 34, die .durch die Distanz stücke 38 in der gewünscbten gegenseitigen Lage gehalten werden, schaffen einen röhren förmigen Durchlass 35, der die Kammer 32 mit der an die Frontfläche der Membrane 7 anstossenden Aussenluft verbindet. Der Magnet 10 wird vom Querstück 42 getragen, welches an seinen Enden an Winkeln 43 befestigt ist, die ihrerseits auf der Innen seite der Röhre 33 befestigt sind Die Mem brane, ihr Antriebsmechanismus und die distanzierten Röhren 33 und 34 kann man, wie dargestellt, an der Vorderwand 30 der Kammer 32 mittelst Schrauben 37 befestig ten.
Die Luft in der Kammer 32 und die jenige im zylinderringförmigen Durchlass be sitzen eine solche Steifigkeit und Masse, dass die beiden Luftmengen einen akustischen Filter bilden, wodurch die auf jeder Seite der Membrane erzeugten Schallschwingungen mit niedriger Frequenz einander verstärken und somit die Ansprechfähigkeit und -die Austrittsleistung der Einrichtung im Bereich der niederen Frequenzen erhöhen.
Die vorliegende Erfindung ist keines we;s nur auf Einrichtungen zur Umsetzung ,elektrischer Energie in Schallenergie be schränkt, sondern kann auch auf Einrich tungen zur Umsetzung von Schallenergie in elektrische Energie angewendet -,werden. Die Fig. 9 zeigt ein elektrodynamisches Mikro phon, welches einen Magnet 50 umfasst. Dazu wird vorzugsweise ein permanenter Magnet mit einem zentralen Polteil 6\?, an den ein gekrümmtes Polstück 51 vermittelst dee Schraube 63 befestigt ist, verwendet.
Das andere Polstück besteht aus einer ringförmi gen Platte 56, die am Magneten vermittelst Sehrauben 57 befestigt ist und eine zentrale (Öffnung aufweist, deren Begrenzungswand einen gewissen Abstand zum Polstück 51 aufweist, so dass ein magnetischer Luftspalt geschaffen wird, in dem eine an .der Mem brane 60 befestigte Spule 61 angeordnet ist. Die Membrane 60 weist einen gekrümmten zentralen Teil auf, .der in einem flachen Teil ausläuft. Für die Membrane wird vorzugs weise ein Leichtmetall, zum Beispiel Alumi nium, verwendet. Ferner ist ein ringförmiges Glied 52 vorhanden, welches den obern Teil des zentralen Pols und den Magneten un mittelbar unter dem Polstück 51 umgibt.
Dieses Glied .52 bildet eine kleine Luft kammer 65 unter der Spule 61 und einen engen Durchgangsweg 66, der nach der Kam mer 53 des Magnetes führt. Die Membran 60 ist an ihrer Peripherie befestigt und wird durch Ringglieder 55 und 59 vermittelst Schrauben 58, welche mit der Platte 56 ver schraubt sind, gehalten. Der Ring 55 weist eine konisch verlaufende Öffnung 67 auf, durch die eine Druckzunahme durch Reso nanz der über der Membrane gebildeten Kam- uner praktisch eliminiert wird.
Eine die ringförmigen Glieder 55 und 59, die Membrane 60 und die Platte 56 durch- ziehende Röhre bildet einen Durchgangsweg 64, der das Innere der erwähnten Kammer mit der an die Frontfläche der Membrane stossenden Aussenluft verbindet.
Die Arbeitsweise dieser Einrichtung zur Umsetzung von Schallenergie in elektrische Energie ist wie folgt: Ein Teil der auftreffenden ,Schallenergie wirkt auf die Frontfläche der Membrane und ein anderer Teil gelangt durch die Röhre 54 in die Kammer 53 und wirkt auf die Rück seite .der Membrane. Diejenigen Schwingun gen jedoch, die auf die Rückseite der 3Iem- brane wirken, sind in ihrer Phase und Stärke so geändert, .dass sie die auf die Frontseite auftreffenden Schwingungen unterstützen und dadurch die Schwingungsamplitude der Membrane erhöhen.
Diese Verstärkerwirkung ist insbesondere bei niederen Frequenzen wichtig. Die der Membrane aufgedrückten Schwin_,-ungen bewirken infolge der Bewe gung der Spule 61 im Feld des Magnetes 50 Ströme, die den auftreffenden Schall wellen entsprechen.
Es ist ersichtlich, dass die Auswirkung der Erfindung gemäss dem vorhergehenden Abschnitt, welche in einer Erhöhung der Ansprechfähigkeit des Mikrophons bei .den niederen Frequenzen resultiert, derjenigen beim Lautsprecher der Fig. 1 und 2 ent spricht. Ein besseres Verständnis des Erfin dungSgedankens bei dessen Anwendung auf ein elektrodynamisches Mikrophon wird jedoch die nachstehende Betrachtung ergeben.
Die im elektrodynamischen Mikrophon erzeugte Spannung ist der Geschwindigkeit der Membrane proportional. Diese Tatsache macht für ein Mikrophon mit praktisch brauchbarer Empfindlichkeit das Problem, eine gleichförmige Frequenzkennlinie auch im untern Frequenzband zu erhalten, sthwie- rig; denn entweder muss die Membrane eine sehr geringe Steifigkeit besitzen, oder es muss etwas vorgesehen werden, um die Wir kung der Schall"vellen auf die Membrane relativ zu den höheren Frequenzen zu verstär ken.
Der hier vorgeschlagene Weg führt zu einer genügend grossen Erhöhung der bei niederen Frequenzen auf die Membrane aus geübten Kraft, um die Randsteifigkeitsreak- tanz hinunter bis zu relativ niederen Fre quenzen zu kompensieren. Es wird dadurch möglich, eine Frequenzkennlinie zu erhalten, die bis zu zwei Oktaven unter der Frequenz, beider die Randsteifigkeitder Membrane im Sinne einer Abnahme der Ansprechfähigkeit des Mikrophons zu wirken beginnt, gleich förmig ausfällt.
Die Kraft auf die Membrane bei niederen Frequenzen wird. mittelst des die Aussen seite des Mikrophons mit ,dem Kammerinnern 5.3 verbindenden Rohres 54 erhöht, wodurch ein Teil der der Frontseite des Mikrophons zugeführten Schallenergie mit der gewünsch ten Stärke- und Phasenänderung der Rück seite der Membran zugeführt wird. Die Stärke und Phase des Schalldruckes auf die Rückseite der Membrane werden durch die akustischen Konstanten der Luft in der Röhre und -der Kammer bestimmt.
Die Fig. 9 zeigt das Mikrophon mit in unmittelbarer Nähe ,der Membrane endigendem Verbin dungsrohr, so dass die Phase -des Druckes über der Membran und der Röhrenöffnung die gleiche. ist. Die Fig. 10 zeigt ein Ersatz- schema für das elektrodynamische Mikrophon der Fig. 9. Die Fig. 11 zeigt .das Ersatz -schema eines gleichartig gebauten OVLikror- phons, bei dem. jedoch die Röhre 54 wegge lassen ist.
Ein Vergleich dieser beiden Er satzschemas zeigt ohne weiteres die durch Anbringen der Röhre zu erwartenden An- derungen. Die kleine Luftkammer zwischen der Membrane und dem akustischen Wider stand. R# wurde in den Fig. 10 und 11 nicht berücksichtigt, da ihre Wirkung bei niederen Frequenzen vernachlässigbar klein ist.
Bei der nachstehenden Betrachtung wurde angenommen, dass die Kraft F gleich dem Druck der freien Luft auf die Membrane multipliziert mit ihrer wirksamen Fläche sei, und dass der Querschnitt des Durehlassrohres 54 gleich der wirksamen Membranfläche sei.
Die in der beweglichen .Spule des Mikro phons erzeugte Spannung ist proportional zur CTeschwin.digkeit der Membrane. Drückt man das Verhältnis dieser Geschwindigkeit zu der auf die Membrane bezw. den Durch lass wirkenden Kraft F durch die mechani schen und alzustischen Konstanten des Mikro phons aus, so erhält man:
EMI0008.0035
worin m, = effektive Masse der Membrane samt Spule, m = Masse der Luft im Widerstandsraum, so = Randsteifigkeit .der Membrane, Ro = Widerstand des Luftspaltes, S\ = Steifigkeit der Luft in der Mikrophon kammer, R = Impedanz der Luft im Verbindungs rohr ist.
Bei der Berechnung der Impedanz :der Luft im Verbindungsrohr wurde gefunden, .dassss der Radius (ro) der Röhre einen Wert der Diskriminante
EMI0008.0046
zwischen 1 und 10 ergab, so dass weder der Posseuille- sche Koeffizient
EMI0008.0050
für ei.-i enges Rohr, noch der vereinfachte Ausdruck
EMI0008.0053
für grosse Röhren verwendet werden kann.
Der Röhrenimpedanzkoeffizient wurde in folgedessen aus dem allgemeinen Ausdruck
EMI0008.0055
ermittelt, worin<I>-</I> ss K$ <I>=</I> ipci und
EMI0009.0004
ist. Die berechneten Koeffizienten von Masse und Widerstand für ein Verbindungsrohr von 0,112 cm Radius sind im .untern Teil der Fig. l:), dargestellt, wobei die Or dinaten die Masse in Gramm und der Wi derstand in Ohm und die Abszisse die Fre quenz in Hertz darstellen.
Für ein 3 cm langes Verbindungsrohr wurden die Masse und der Widerstand, bezogen auf die Mem brane aus diesen Kurven zu 6,4 Gramm und 600 Ohm bei ungefähr 50 Hertz gefunden. Für eine Bereohnung genügt es, diese mitt leren Impedanzwerte in der Gleichung (3) zu verwenden.
Die gemessenen und berechneten Konstan ten eines erfindungsgemässen Mikrophons sind beispielsweise wie folgt gefunden wor den:
EMI0009.0013
.So <SEP> = <SEP> 2 <SEP> X <SEP> 16s <SEP> Dyn
<tb> cm
<tb> mo <SEP> = <SEP> 0,22 <SEP> Gramm
<tb> M= <SEP> 4000 <SEP> Ohm
<tb> <B>8</B> <SEP> = <SEP> <B>0,5</B> <SEP> X <SEP> 10<B>6</B> <SEP> <U>Dyn</U>
<tb> cm
<tb> <I>na</I> <SEP> = <SEP> 6,4 <SEP> Gramm
<tb> R <SEP> = <SEP> 600 <SEP> Ohm
<tb> <I>co <SEP> - <SEP> 2</I> <SEP> 7r <SEP> f Setzt man diese Weite in Gleichung (3) ein und ermittelt den Absolutwert, so erhält man die obere vollausgezogene Kurve A, die in Fig. 12 dargestellt ist,
in der Dezibel als Ordinate und die Frequenz in Hertz als Abs zisse aufgetragen sind.
Falls das Verbindungsrohr 54 geschlos sen ist, reduziert sich Gleichung (3) zu
EMI0009.0019
Falls die obigen Werte nun in Gleichung (4) eingesetzt werden, wird .die in Fig. 12 dargestellte, vollausgezogene Kurve B er- halten. Diese berechneten Frequenzkenn- linien zeigen die grössere Ansprechfähigkeit bei der untern Frequenz, die bei Anwendung der Erfindung erzielt wird.
Die gestrichelten Kurven C und D zei gen die experimentell gemessene Ansprech- fähigkeit des Mikrophons in Dezibel bei ge schlossenem bezw. offenem Verbindungsrohr.
Diese Messungen stimmen, wie erwähnt wer den muss, genau mit den theoretischen: Berech nungen überein und die Variation in .den bei- .den Kurvensätzen unterhalb 50 Hertz kön nen durch einen wahrscheinlichen Fehler von 10 % bei der Messung der Randsteifigkeit ,So *der Membrane erklärt werden.
Die Fig. 13 zeigt die Gesamtfrequenz kennlinie eines elektrodynamischen Mikro phons unter Einschluss eines beigeordneten Transformators für den Frequenzbereich von 30 bis 10000 Hertz bei offenem und geschlos senem Verbindungsrohr 54, wobei die Ordi naten die abgegebene Leistung in Dezibel und,die Abszissen die Frequenz in Hertz dar stellen.
Es soll erwähnt werden"dass oberhalb 200 Hertz die Ansprechfähigkeit -des Mikro phons durch das Vorhandensein eines Ver bindungsrohres zwischen Aussenluft und Mi krophonkammer nicht beeinflusst wird, umso mehr aber unterhalb dieser Frequenz eine Zunahme in der Ansprechfähigkeit bewirkt.