DE2900611A1 - Elektroakustischer wandler - Google Patents

Description

• Bezeichnung: Elektroakustische Wandler
• Beschreibung Die Erfindung betrifft einen elektrostatisch arbeitenden elektroakustischen Wandler, und eine Ansteuerungs-Einrichtung hierfür.
• Elektrostatische Lautsprecher enthalten gewähnlicherweise eine elektrisch leitende Membrane, welche an eine Hochspannungsquelle angeschlossen ist, und dsvor und dahinter gitterförmige Elektroden, welche im Gegentakt an die Sekundärwicklungen eines Transformators engeachlossen sind.Eei solchen Systemen ist die bbstrahlleistung begrenzt durch die maxiial zuträgliche elektrische Feldstärke in der Luft, welche unabhängig vom Elektroden-Abstand die erzeilbare elektrostatische Auslenkkraft begrenzt. Um akzeptable Abstrahlleistungen zu erzielen mußte men Wender mit sehr großen Flächemeßen bsuen.
• Um die große Membranfläche auf kleinerem Raum unterzubringen,ließe sich der Wandler gefaltet aufbauen, woraus jedoch wegen des begren.ten Auslenk-Druckes der membrane keine wesentliche Erhöhung der Schall-Leistung resultieren würde.
• Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde,daß die Gesamtfläche des Schalluendlere auf mehrere kleinere Wandler-Einheiten aufgeteilt werden kann. Werden diese Wandlereinheiten schichtweise hintereinander angeordnet, wobei alle membranen in gleichsinnige Richtung ausgelenkt werden, so resultiert neben der Raumersparnis eine zusätzliche Erhöhung der Abetrahlisistung gegenüber einem einteilig aufgebauten System gleicher Gesamtfläche.
• Bei dieser Hintereinanderanordnung können die Membranen so eng hintereinander liegen, daß deren Abstände klein sind gegenüber den Schall-Wellsolängen des erforderrlichen Leistungs-Frequenzganges.
• Die Auelenk-Kräfts der einzelnen membranen summieren sich also durch pneumatische Kopplung, wodurch sich die Abstrahlleistung potenziert.
• Es ergibt sich zus Beispiel bei drei Einheiten hintereinander im Lsistungsfrequenzbereich eine Erh8hung der Gessmtkrefte um das Dreifache und Erh8hung der Abstrahlleistung um des Neunfache.
• Die Erfindung ermöglicht also erstens kleinere Bauweise und zweitens höhere Leistung.Außerdem läßt sich wegen der kleineren Abstrahl-Fläche die Abstrahl-Charakteristik verbesseren.
• Die duroh des Zusammenwirken der Massen der einzelnen Membranen resultierende Gesamtmasse (einer gedachten stärkeren membran) verursacht gegenüber dem einfachen Aufbau für die Höhenabstrahlung keine Leistungsminderung, denn die Bewegung einer einzelnen membran wird, ds sich alle gleichsinnig bewegen, nicht durch die anderen Membrtanmassen beeinflußt.
• Nsch Anspruch 3 kennen in dem Elektroden-Paket benachbarte Gitter-Elektroden von benachbarten Wandlereinheiten zusammengefaßt werden zu gemeinsamen Elektroden.Dsrsus resultieren geringere Abstände von Membran zu Membran und daher die möglichkeit, ohne akustische Einbuße mehr Einheiten eng genug hintsreinender zu bauen.
• Figur 1) veranschaulicht in einem Ausführungs- Beispiel, in welcher Weise die Elektroden angeschlossen werden können.
• Um für alle membrsnen 1 bis 4 gleichsinnige Auslenkkräfte zu erzielen, erhalten die Membranen abschselnd positive bzw. negative Gleich-Lsdungen vom Hchspannungsnetzteil 5 , denn die elektrischen Wechsel-Felder,in denen sich die membranen befinden,sind wegen der Beschaltung der Gitterelektroden 10 bis 1+ an den Transformator 6 abwechsalnd orientiert.
• Bei dieser Anschlußart, wie bei der Herkömmlichen,sind auch ohne Eingangssignsl elektrostatische Felder zwischen den Elektroden vorhanden und verursachen Labilitätskräfte auf die Membran, so daß sie sus ihrer Ruhelage ausgelenkt würde,wenn sie nicht durch mechanische Anspannung oder durch elastische mittel in ihrer Mittellage gehalten wird.Da diese mechanischen Neutralisationsmittel bei der Konstruktion aufwändige Einschränkungen erfordern, und da so aufgehängte Membranen nicht die Qualität einer frei schwingender Membran erreichen können, kann die Erfindung nach Anspruch 5 so ausgestaltet werden, daß die membran im Neutrelzustand des Eingangssignals nahezu kräftefrei ist.Dies wird erreicht durch eine elektrische Ansteuerung, deren Funktionsweise anhand eines Ausführungsbeispiels in Fig. 2 dargestellt ist. Sei fehlendem Eingengssignel treten nur geringe Spannungen 20 und 21 an den Elektroden 22 und 23 auf, und erst bim Auftreten eines Signale im Eingang 24 erhöht die Ansteuer-Schaltung die Elektroden-Spannung t und zwar je nach Polarität des Eingangssignals entweder zwischen membran und der davorliegenden Gitterelektrode 22 , oder zwischen Membran und der dahinterliegenden Gitterelektrode.23 . Die an der geerdeten Membran25resultierende Kraft ist proportional zur Differenz der Quadrate der Spannungen an den Elektroden, soll aber linear zum Eingangssignal sein.
• Dies wird beispielsweise erreicht durch zwei nichtlineare Verstärker 26 und 27 , die in etwa nach der Wurzelfunktion übertragen. Um im Nullpunkt einen kontinuierlichen und differenzierbaren dbergang zu ermöglichen, ist die Ansteuer-Scheltung so susgelegt, daß im Nulldurchgang geringe Restspannungen an den Elektroden liegen (20 und 21) und eine kontinuierliche Übernahme der Spannungen erfolgt.
• Die Spannungsverläufe an den Elektroden in Abhängigkeit vom Eingangs-Signal sind im Dirgrsmm der Figur 2 eingezeichnet.
• Nsch Anspruch 6 kern die exakte Übertragungseingenschaft der Ansteuer-Schaltung .--.--. - -3 erzielt werden durch eine Gegenkopplung über etwa zwei analoge Quadrier-Glieder 28 und 29, deren Eingänge sn den Elektroden liegen. Die Differenz der Quadierten Elektrodenspannungen ist nämlich proportional zu der an der Membrane resultierenden Kraft und dient als Vergleichs-Wert für die Gegenkopplung.
• Da bei Bewegung der Membranen sich der Abstand d zu den Gitter-Elektroden und somit die Kapazität C zu den Gitterelektroden ändert, ist der obige Csgenkopplungs-Vergleichswert aus den Spannungsquadroten U nur ein angenähertes Maß für die entstehende Kraft F der membran.
• Die genaue Berechnung erfolgt über die Quadrate der elektrischen Feldstärke E zwischen Membran und Gitterelektrode : F g2/2 E E² # A # E² Hierbei ist A die wirksame Fläche der Wandlereinheit.Weil die membran von zwei Seiten angezogen wird (Indizierung: 1 und 2) , folgt: Hiersus folgt die Berechnungamöglichkeit der Kraft über Quadrate der Ladung Q an den Gitterelektroden in Bezug zur geerdeten membran.
• Bei herkömmlichen Wandlern wird die Kapazitätsänderung ausgeglichen durch einen hohen Widerstand, der zwischen Membran und Hochspannungs-Netzteil geschaltet ist, so daß deren Ladung konstant bleibt.
• Für die Ausführung mit nichtlinearer Ansteuerung kann die Wirkung der sich ändernden Kapazitäten ausgeglichen werden nach Anspruch ?, indem in Serie in den Speieestromkreis der Gitterelektroden Kondensatoren geschaltet werden, und die daran abfallenden Spannungen, welche zur Ladung proportionsl sind, an die Eingänge des Quadrierers gegeben werden.
• Alle in Beschreibung und Ansprüchen als "Gitterelektroden" bezeichneten Elektroden müssen nicht notwendig regelmäßige Struktur besitzen.
• können also auch etwa porös oder faserartig sein.
• Der extrem gleichmäßige Phasen- und Frequenz-Gang des Schallwandlers ermöglicht die erfindungsmäßige Gegenkopplung durch ein elektrostatisches Mikrofon (siehe Anspruch 8),welches sich zum Beispiel direkt vor den Wandlereinheiten befindet und dessen Membran im wesentlichen die selben Bewegungen macht wie die membranen der Wandlereinheiten.
• Nach Anspruch 11 kann dss System als Baßreflexbox ausgeführt werden.
• Im Unterschied zu dynamischen Lautsprechern erzielt die Baßreflex-Box hier keine Erhöhung des Frequenzverlaufes im Beßbereich, sondern lediglich eine Verminderung der für gleiche Abstrahlleistung bendtigten Membran-Auslenkung (Hub) , welche für die Bässe eine Leistungs-Grenze darstellt.Die erzielte verminderte Auslenkung ermöglicht überdies, daß der Elektrodenabstand kleiner gebaut werden kann und Blindleistung gespart wird.
• L e e r s e i t e

Claims (14)

1. Ansprüche 1) Elektroakustischer wandler mit mehreren Ulandlereinheiten nach dem elektrostatischen Prinzip,welche vorzugsweise aufgebaut sind mit als Membrsnfläohen ausgebildeten Elektroden und davor und dahinter befindlichen schelldurchldssigen Elektroden, im folgenden"Gitter-Elektroden" genannt,gekennzeichnet dadurch,dsß zwei,drei oder mehrere Wandlereinheiten schichtweise hintereinander angeordnet sind.
2. 2) wandler nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch,daß jeweils die hintere Gitterelektrode einer oder mehrerer landlereinheiten und die vordere Gitterelektrode der jeweils dahinter befindlichen Wendlereinheit mechanisch zusammengefaßt sind zu einerEinheit, welche zwei elektrisch leitende Seschichtungen aufweist.
3. 3) Wandler nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß jeweils die hintere Gitterelektrode einer oder mehrerer Ulandlereinheiten und die vordere Gitterelektrode der jeweils dahinter befindlichen Wsndlereinheit elektrisch und mechanisch als eine gemeinsame Elsktrode zusammengefaßt sind.
4. 4) wandler nach Anspruch 3, gekennzeichnet dadurch, daß die Membran-Elektroden von jeweils benachbarten Utandlereinheiten jeweils entgegengesetzt gepolte Ladungen aufweisen.
5. 5) Wandler nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4 mit elektrischer Ansteuerungs-Einrichtung, gekennzeichnet dadurch, daß die Membranelektroden elektrisch gut leitfähig sind oder leitend beschichtet sind, und daß bei fehlendem Eingangssignsl an der Ansteuereinrichtung zwischen allen Elektroden relativ geringe elektrische Spannungen vorhanden sind, und daß mindestens ein nichtlineares Übertragungsglied vorhanden ist, welches bei positivem Eingangssignal elektrische Spannungen zwischen Membranelektroden und den dazu in einer Richtung benachbart liegenden Gitterelektroden gibt oder steuert, im wesentlichen proportional zur Wurzel des Eingangssignsls, und bei negativem Eingangssignsl entsprechende Spannungen zwischen membranelektroden und den nach der anderen Richtung benachbarten Gitterelektroden.
6. 5) wandler mit elektrischer Ansteuerungs-Einrichtung nach Anspruch 5, gekennzeichnet dadurch, daß die Ansteuerungs-Einrichtung qegengekoppelt ist von den Ausgängen mindestens zweier analoger Quadrierschaltungen, deren Eingänge an den Elektroden liegen oder in deren Stromkreis(e) geschaltet sind.
7. 7) Wandler mit elektrischer Ansteuerungs-Einrichtung nach Anspruch 6), gekennzeichnet dadurch, daß die Eingangasignale der Quadrier-Schaltungen abhängen von den Ladungsänderungen der Elektroden beispielsweise über Werte der Spannungen, welche auftreten an Kondensatoren, die in die Ansteuerungs- Stromkreise der Elektroden in Serie geschaltet sind.
8. 8) Wandler nach einem der vorangegangenen Ansprüche mit elektrischer Ansteuerungs- Einrichtung, gakennzeichnet dadurch,daß sich auf den / oder in der Nähe der Wandlereinheiten oder einas Teils davon mindestens ein vorzugsweise Ulektrostatisches mikrofon befindet, von dessen Ausgangssignal die dem Elektrostatischen Wandler zugehörige Ansteuer- Schaltung mindestens in einem Teilbereich des Übertregungsfrequenzganges gegengekoppelt wird.
9. 9) Wandler nach einem der vorangegangenen Ansprüche, gekennzeichnet dadurch,daß sich zwischen Membranelektroden und Gitterelektroden bzw. deren elektrisch leitenden Teilen elektrisch isolierendes und schalldurchlässiges, vorzugsweise poröses oder faserertiges Material befindet, welches die Membran daran hindert, in elektrischen Kontakt mit den Gitterelektroden zu kommen.
10. 10) Wandler nach einem der vorangegangenen Ansprüche, gekennzeichnet dadurch,daß er als Lautsprecherbox ausgeführt ist.
11. 1i) Lautsprecher nach Anspruch 10, gekennzeichnet dadurch, daS er als Saßreflex-Box ausgeführt ist.
12. 12) Lautsprecher nach Anspruch 10 oder 11, gekennzeichnet dadurch, daß vor der Schallaustritts-Öffnung akustisch wirksame, vorzugsweise plattenförmige Körper angebracht sind, welche die Wellenfront des austretenden Schalls zerstreuen und vorzugsweise als akustische Linse ausgestaltet sind.
13. 13) Wandler nach einem der vorangegangenen Ansprüche, gekennzeichnet dadurch,daß die Gitterelektroden und/oder die membranen gewölbt sind, vorzugsweise in sphärischer Form.
14. 14) wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 9, gekennzeichnet dadurch, daß er als Kopfh5rer ausgeführt ist.