-
Elektrostatischer Lautsprecher Die Erfindung bezieht sich auf einen
Lautsprecher nach dem elektrostatischen Prinzip. Ihre Eigenart besteht unter anderem
darin, da.ß diejenigen Flächen oder Flächenteile, die durch die elektromechanischen
Kräfte in Schwingungen versetzt werden und den Schall in den umgebenden Raum abgeben,
in einer für die Schallstrahlung besonders günstigen Weise angeordnet sind.
-
Um das Wesen der Erfindun,g leicht klarlegen zu können, möge unter
Bezugnahme auf die Fig. i und 2 der beigefügten Abbildungen eine kurze theoretische
Betrachtung über den Schallvorgang bei einer einfachen strahlenden Fläche vorausgeschickt
werden. Die Fläche/, die in Fig. i im Schnitt dargestellt ist, möge kreisförmig
sein. Sie kann aber auch eine andere Form besitzen, z. B. die eines Quadrates. Am
Umfang möge sie fest gelagert sein. Wirken auf eine solche Fläche veränderliche
mechanische Kräfte ein, so gerät sie in Schwingungen, wie in der Fig. i durch die
gestrichelten Linien angedeutet ist.
-
Befestigt man eine solche Fläche an dem Rande einer Dose D (vgl. Fig.2),
in deren Innerem sich ein Elektromagnetsystem befindet, so erhält man das Schema
des wohlbekannten Telephons.
-
In bezug auf die Schallabgabe an den umgebenden Raum verhalten sich
die Flächen f der Fig. i und 2 recht verschieden. Während in der Anordnung nach
Fig. 2 die Fläche/ nur nach der einen Seite Schall abgibt, weil sie auf der anderen
Seite durch die DoseD abgeschlossen ist, strahlt die Fläche/ gemäß. Fig. i nach
beiden Seiten. Man könnte daher geneigt sein, anzunehmen, daß die Schallleistung
der Fläche/ in Fig. i genau das Doppelte von der Leistung der Fläche/ nach Fig.2
ist. In Wirklichkeit trifft diese Annahme aber nicht zu. Der Grund hierfür liegt
darin, daß die Schalldrucke auf den beiden Seiten der Fläche f in Fig. i einander
entgegengesetzt sind. Sie sind genau um i 8o' verschoben. Wenn z. B. in einem Augenblick
die Luftteilchen, die der Fläche benachbart sind, auf der einen Seite verdichtet
werden, werden sie auf der ,anderen Seite verdünnt. Die Folge ist die, daß ein Druckausgleich
zwischen den beiden Seiten der Fläche über den Raum am Rande stattfindet. Eine Fläche
gemäß Fig. i kann daher immer nur senkrecht zu sich selbst Schall abgeben, aber
niemals in der erweiterten Ebene, s der sie einen Ausschnitt bildet. Der R m in
der parallelen Erweiterung ist vielm r vollkommen schalleer, wobei, nebenbei b merkt,
natürlich von den Reflexionen der Z' merwände abgesehen wird.
-
Die Fläche/ hat aber bei Ano dnung gemäß Fig. i in bezug auf die S
rahl ngsleistung noch einen anderen Nachteil. De Ausgleich des aerodynamischen Drucks,
vo dem oben gesprochen wurde, hat die N enwirkung,
daß die Gesamtstrahlungsleistung
zuungunsten der tiefen Schwingungen herabgesetzt ist. Diese Herabsetzung ist um
so größer, je kleiner die Ausdehnung der Fläche und je länger die Schallwelle ist.
Das Hindurchbringen der tiefen Klaviertöne und Baßstimmen, das bei den gegenwärtigen
Einrichtungen der drahtlosen Telephonie an sich schon aus Gründen anderer Art erhebliche
Schwierigkeiten bereitet, wird bei Lautsprechern mit den geschilderten ungünstigen
Strahlungseigenschaften noch weiter erschwert.
-
Will man die Schalleistung bei gegebener Amplitude einer schwingenden
Fläche zu einem Maximum machen und will man Frequenzverzerrungen vermeiden, so muß
man dafür Sorge tragen, daß die Schallstrahlung nach allen Richtungen des Raumes
vollkommen gleichmäßig erfolgt. Unter diesen Umständen können keine schalleeren
oder schallschwachen Stellen im Schallfeld entstehen, was nicht nur bei der Anordnung
nach Fig. z, sondern auch bei der nach Fig. 2, wenn auch bei letzterer in geringerem
Grade, der Fall ist.
-
Das Ideal einer schallabgebenden Fläche ist eine atmende Kugel oder,
wie es theoretisch heißt, ein Strahler nullter Ordnung.
-
Es ist nun mit den gewöhnlichen Mitteln der Lautsprechertechnik, d.
h. in erster Linie in Verbindung mit elektromagnetischen und elektrodynamischen
Antriebssystemen, nur sehr schwer möglich, einen solchen nach allen Richtungen gleichmäßig
wirkenden Strahler herzustellen. Würde man ein einziges Antriebssystem verwenden,
so müßte man komplizierte Hebelanordnungen u. dgl. verwenden, um die schallabgebende
Fläche bzw. Flächen in der angegebenen Weise gleichzeitig erregen zu können. Ein
anderer Weg würde der sein, daß man eine größere Anzahl einzelner Antriebssysteme
vorsieht oder eine Anzahl von Lautsprechern so anordnet, daß ihre Membranen nach
verschiedenen Seiten wirken.
-
Ein weit besseres Mittel zur Erzielung der oben angegebenen Wirkung
besitzt man jedoch im elektrostatischen Lautsprecher. Es sind daher auch bereits
elektrostatische Lautsprecher vorgeschlagen worden, bei denen die Membran und die
Gegenbelegung nicht einfach eben, sondern sphärisch gekrümmt gestaltet waren, und
zwar in der Weise, daß die feste Belegung einen Zylinder bildete und die schwingende
Belegung einen Zylindermantel, der den festen Zylinder umgab. Eine solche Anordnung
würde den Schall nach allen Richtungen in einer Ebene hin gleichmäßig ausstrahlen.
-
Es treten nun indessen bei der Herstellung derartiger Geräte große
Schwierigkeiten auf, die in erster Linie darin beruhen, daß es bei den üblichen
Membranstoffen und -stärken kaum möglich ist, sie in eine einwandfreie sphärische
Form zu bringen, bei der gleichmäßige und während des Betriebes unveränderliche
Abstände zwischen Membran und fester Belegung gewährleistet werden. Es kommen für
die schwingende Belegung in erster Linie dünne Folien aus Leichtmetall oder aber
auch aus ganz nachgiebigen Stoffen, wie beispielsweise Gummi, in Betracht. Diese
Stoffe lassen sich nun, wie die Erfahrung lehrt, nur sehr schwierig um einen Zylinder
oder gar um eine Kugel legen; es tre: ten stets Falten und Ausbeulungen auf. Dabei
bleiben die Abstände zwischen den Belegungen gänzlich unbestimmt; an gewissen Stellen
werden auch Berührungen auftreten, die dann z. B. Anlaß zum Klirren .geben usw.
-
Die Erfindung beseitigt die genannten Schwierigkeiten dadurch, daß
auf die Herstellung sphärischer Flächen für die Belegungen verzichtet wird und die
zylindrische Ausführungsart dahin abgeändert wird, daß man sie in mehrere Einzelflächen
unterteilt. Man bildet den Strahler also als Prisma aus. Bei dieser Auflösung in
einzelne Teilflächen hat man es in der Hand, die Membran so einzuspannen bzw. aufzubringen,
daß sie über den einzelnen Teilflächen ebenfalls eben liegt, und somit mechanisch
und fabrikatorisch etwa die gleichen Verhältnisse geschaffen werden, wie beim Bau
gewöhnlicher ebener elektrostatischer Lautsprecher. Selbstverständlich wird die
Klangverteilungskurve eines solchen Gerätes etwas von der eines völlig runden Gerätes
abweichen. Wenn man aber beispielsweise einen Schallstrahler, der vorher zylindrische
Form hatte, in ein sechsseitiges Prisma zerlegt, so wird die Klangverteilung davon
sehr wenig beeinflußt, d. h. man ist nach wie vor imstande, die Darbietungen des
Lautsprechers nach allen Richtungen einer senkrecht zur Prismenachse verlaufenden
Ebene praktisch gleich laut zu vernehmen.
-
Der Erfindungsgedanke kann weiterhin in folgenden Ausführungsformen
verwirklicht werden. Man kann z. B. die schallabgebenden Membranen auf den Flächen
eines Würfels anordnen. Der feste innere Kern des Würfels ist ein Metallstück, welches
zweckmäßig eine Anzahl von Löchern oder Rillen enthält, damit die Kompression der
Luft zwischen der Membran und der Gegenbelegung nicht zu groß wird. Man kann den
Würfel auch aus Blechplatten zusammenlöten oder ihn aus Isoliermaterial herstellen,
dessen Oberfläche beispielsweise durch einen Graphitüberzug leitend gemacht ist.
Die sechs Flächen des Würfels sind mit den schallabgebenden Membranen bedeckt. Ein
solcher Lautsprecher kann entweder an einem seiner Ecken an einen Faden aufgehängt
oder auch an einem
Fuß befestigt werden. Ein solcher Lautsprecher
nähert sich hinsichtlich seiner Strahlungseigenschaften in hohem Maße dem Kugelstrahler.
Die schallschwachen Raumstellen sind auf das weitestgehende herabgesetzt.
-
Weitere Ausführungsformen zeigen beispielsweise die Abb. 3 und 4.
Hierbei besteht die feste Belegung aus einem Messingzylinder von etwa io cm äußerem
Durchmesser, einer Wandstärke von 3 bis 5 mm und einer Höhe von 20 cm, der am äußeren
Umfang derart abgefräst ist, daß ein Polygon mit einer Seitenlänge l von etwa 20
mm entsteht. Auch hierbei wird die Wandung der festen Belegung entweder an zahlreichen
Stellen durchbohrt oder mit eingefrästen oder eingedrehten Rillen versehen. Diese
Rillen liegen entweder parallel zur Achse oder auch senkrecht zu dieser. Um den
Umfang des Prismas wird nun eine geeignete Membran aus Gummi, Celluloid oder ölpapier
gelegt. Diejenige Seite der Membran, die leitend gemacht ist, z. B. durch Bestreichen
mit Aquadag, liegt nach außen, wenn das Prisma selbst am äußeren Umfang nicht isoliert
ist. Führt man eine solche Isolierung aber durch, z. B. durch Überziehen mit einer
Lackschicht, so kann auch eine Metallmembran, z. B. aus Aluminiumfolie, benutzt
werdca oder die Aquadagschicht der Celluloidmembran kann nach innen gekehrt sein.
Man erhält hierdurch den großen Vorzug geringer Luftabstände. Die Membran soll nur
an den Kanten des Prismas aufliegen und im übrigen einen gewissen Luftabstand vom
Metallkörper haben, der in der Mitte der Seitenlinien etwa 0,03 mm gewählt werden
kann. Um diesen Luftabstand sicherzustellen, sind die Seitenlinien L des Polygons
(vgl. Abb. 3) nicht genau geradlinig, sondern in an sich bekannter Weise
in der Mitte etwas nach innen gewölbt. Die Abweichung von der Geraden soll in der
Mitte etwa o,05 mm betragen und nach den Kanten des Polygons zu gleichmäßig abnehmen.
Wenn die Membran nun im Betriebe unter der Gleichstromspannung steht, so biegt sie
sich etwas durch, und zwar in der Mitte der Polygonseiten um etwa o,oa mm, so daß
dort noch ein Arbeitsabstand von o,03 mm verbleibt.
-
Es ist nicht ratsam, für die Membran eine einzige, große, zusammenhängende
Fläche zu wählen, da in solchem Falle ein gleichmäßiges Anliegen an den Kanten des
Prismas nicht gewährleistet ist und auch die Luftabstände an denjenigen Stellen,
wo die Membran schwingen soll, keine wegs gleichmäßig sind. Man muß nämlich beobachten,
daß Abstandsdifferenzen von wenigen hundertstel Millimeter schon eine große Rolle
spielen, da der Abstand der Membran vom Zylinder an denjenigen Stellen, wo sie schwingen
soll, regulärerweise selbst nur im Mittel einige hundertstel Millimeter, z. B. nur
0,03 mm ist. Unregelmäßigkeiten im Luftabstand machen sich durch eine Minderung
der Empfindlichkeit geltend.
-
Aus diesem Grunde unterteilt man zweckmäßig die Membran in Bänder
oder Streifen, die um den Umfang des Prismas herumgelegt und mit ihren Enden irgendwie
miteinander oder mit dem Zylinder verbunden sind. Abb. 5 zeigt bei b ein Band, z.
B. aus Celluloid, dessen Enden mit zwei Metallstückchen m, m verbunden sind,
die ihrerseits verschraubt werden. Durch mehr oder weniger starkes Zuschrauben kann
man den Zug des Bandes einstellen, was für das Herausholen der höchsten Empfindlichkeit
des Lautsprechers von Bedeutung ist. Bei c erkennt man eine Einrichtung, wo die
Bänder durch eine Spiralfeder unter einem bestimmten Zug gehalten sind.
-
Statt Bänder oder Streifen kann man auch dünne, leitend gemachte Fäden,
z. B. Seidenfäden, die durch Aquadag hindurchgezogen sind, verwenden. Diese Fäden
werden auf das Prisma Faden neben Faden aufgewikkelt, so daß sie in bezug auf Schallabgabe
genau wie zusammenhängende Schicht wirken. Natürlich muß in einem solchen Falle
die Oberfläche des Prismas mit einem Lacküberzug versehen sein, um Kurzschluß zu
vermeiden. Recht gut eignet sich jene Lacksorte, die für die in der Elektrotechnik
bekannten sogenannten Lackdrähte verwendet wird. Die Seidenfäden können auch durch
dünne mit Lack- oder Seidenumspinnung isolierte Kupfer- oder Aluminiumdrähte ersetzt
werden.
-
Die Abb. 6 und 7 zeigen im Schnitt bzw. in der Ansicht eine Ausführungsform,
bei der die feste Belegung die Form eines dreiseitigen Prismas hat. Hierbei ist
die Krümmung der einzelnen Teilflächen bei a der Deutlichkeit 'halber etwas übertrieben
dar-,gestellt.
-
Ein weiterer praktischer Vorzug der beschriebenen Lautsprecher besteht
in dem verhältnismäßig geringen Raumbedarf gegenüber elektrostatischen Lautsprechern
mit einer einzigen großen Membran.