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Akustisch wirksame Platte, insbesondere zur Ankopplung an einen elektroakustischen
Wandler Die Erfindung betrifft eine akustisch wirksame Platte, insbesondere, wenn
auch nicht ausschließlich, zur Ankopplung an einen elektroakustischen Wandler. Die
hier verwendeten Ausdrücke »Akustik (akustisch)«, »Schall« und »Schwingung« werden
in ihrem allgemeinen Sinn nicht nur zum Bezeichnen von hörbaren, sondern sowohl
von elastischen Ultra- als auch Infraschallschwingungen verwendet.
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Bisher wurde anerkannt, daß sich in einer Platte oder einem Stab ausbreitende
Biegewellen in das Umgebungsmedium, wie beispielsweise Luft oder Wasser, hinein
akustische Wellen abstrahlen, sofern die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Biegewellen
in der Platte oder dem Stab die Schallgeschwindigkeit im Medium übersteigt. Im Falle
einer sich in einer Platte unendlicher Größe ausbreitenden ebenen Biegewelle wird
eine ebene Schallwelle in einem Abstrahlungswinkel 0 in das Medium hinein
abgestrahlt, der durch den Ausdruck cos 0 = C .. Icb (1)
gegeben
ist, in dem c" die Ausbreitungsgeschwindigkeit im Umgebungsmedium und cl, die Ausbreitungsgeschwindigkeit
der Biegewellen in der Platte bedeutet.
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Die Verwendung dieses Vorgangs für die Entwicklung von Wandler mit
Richtwirkung ist beispielsweise in dem am 15. Dezember 1936 George
M. P i e r c e gewährten USA.-Patent 2 063 949 beschrieben, in dem eine Antriebseinrichtung
mit einem der Enden einer Platte oder eines Stabes gekuppelt ist. Wenn eine Platte
oder ein Stab begrenzter Länge verwendet wird, ist an dem der Antriebseinrichtung
entgegengesetzten Ende ein nicht reflektierender Abschluß notwendig, da von diesem
entgegengesetzten Ende reflektierte Wellen auch eine Abstrahlung unter dem Abstrahlungswinkel
von 180' -0 erzeugen. Auch ist, obwohl die Beschreibung auf der Basis der
veranschaulichten Beispiele mit der Platte oder dem Stab u. dgl. gekuppelten Antriebseinrichtungen
fortgesetzt werden kann, klar, daß in Empfangseinrichtungen, bei denen die Antriebseinrichtung
durch ein Schwingungsaufnahmesystem ersetzt wird, die gleiche Wirkungsart erzielt
wird.
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Wenn angenommen wird, daß die Breite der Platte oder des Stabes im
Vergleich zur Wellenlänge der Schwingungen klein ist und daß ferner nur eine Seite
des Streifens dem Umgebungsmedium ausgesetzt ist (beispielsweise, wenn die andere
Seite von einem Gehäuse abgedeckt ist), so nimmt die akustische Abstrahlungs- oder
Einstrahlungscharakteristik die Form eines um die Achse der Platte oder des Stabes
2 liegenden Kegels mit einem Zentriwinkel von 2 (P an. Wenn jedoch beide Abstrahlseiten
der Platte oder des Stabes dem akustischen Feld ausgesetzt sind, wird eine achtförmige
Dipolcharakteristik in zur Achse der Platte oder des Stabes senkrechten Ebenen überlagert
und in der Ebene der Platte oder des Stabes selbst keine Abstrahlung oder Einstrahlung
beobachtet. Die Breite des Abstrahlungsmaximums in einer die Achse der Platte oder
des Stabes enthaltenden Ebene, das üblicherweise durch den Raumwinkel, in dem die
Abstrahlungsamplitude innerhalb von 3 Dezibel (db) vom Maximum liegt, ausgedrückt
wird, ist eine Funktion des Verhältnisses von Platten- oder Stablänge L zur Biegewellenlänge
Ab und nimmt im allgemeinen mit der Vergrößerung dieses Verhältnisses ab.
Eine Länge L = Ab ist etwa die zum Erzielen ausgesprochener Richtwirkung
notwendige Mindestlänge. Für kürzere Platten oder Stäbe oder für größere Wellenlängen
ergibt sich eine Annäherung an die Abstrahlungs-oder Einstrahlungscharakteristik
einer Kolbenquelle, und die Abstrahlung ist nicht länger von der vorerwähnten Bedingung,
daß cb größer als e. ist, abhängig.
Die Gleichung
L = Ab = Cblf, (2) in der f die Frequenz der Biegeschwingungen
ist, bestimmt folglich die untere Frequenzgrenze einer Vorrichtung mit Richtwirkung
dieser Art. Die obere Frequenzgrenze ist üblicherweise durch die Breite w der Platte
oder des Stabes gegeben, da die Abstrahlungs- oder Einstrahlungs-Richtcharakteristik
radikal verändert wird, wenn die Wellenlänge kleiner als 2 w, d. h.
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w < Ab/2 (3)
ist. Das Haupthindernis für die
praktische Verwendung eines Wandlers mit Richtwirkung dieser Art besteht jedoch
in der Tatsache, daß die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Biegewellen mit der Quadratwurzel
der Frequenz
zunimmt, worin B die Biegesteifheit der Platte oder des Stabes und M die Masse je
Einheit ihrer Fläche bedeuten. Folglich ist der Winkel 0 maximaler
Ab-
strahlung eine Funktion der Frequenz, so daß sich die Richteharakteristik
mit der Frequenz ändert.
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Gegenstand der Erfindung ist die Anpassung solcher Platten und Stäbe
od. dgl. an Breitbandbetrieb mit Hilfe von konstruktiven Eigenschaften, die einen
Winkel maximaler Abstrahlung schaffen, der über ein breites Frequenzband von der
Frequenz unabhängig bleibt.
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Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist die Schaffung eines neuen
und verbesserten Abstrahlungs-oder Empfangsgeräts.
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Ein zusätzlicher Gegenstand ist die Schaffung eines neuen Wandlers.
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Andere und weitere Gegenstände werden nachstehend erläutert und sind
in Zusammenhang mit den Ansprüchen besonders hervorgehoben.
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Die Erfindung wird in der nachfolgenden detaillierten Beschreibung
an Hand der beispielsweise, jedoch nicht beschränkend, einige Ausführungsbeispiele
der Erfindung darstellenden Zeichnung näher erläutert. Es zeigt Fig. 1 eine
Seitenansicht einer zur Erzielung gerichteter akustischerAbstrahlung oder Einstrahlung
in der vorstehend beschriebenen Weise schwingenden Platte oder Stabes, Fig. 2 eine
zur Veranschaulichung konstruktiver Einzelheiten teilweise aufgebrochene perspektivische
Ansicht einer vorzugsweisen Ausführungsform eines Wandlers nach der Erfindung, Fig.
3 und 4 die Wirkungsweise der Erfindung mit der bisher bekannten vergleichende
graphische Darstellungen, Fig. 5, 6, 7 und 9 Ansichten ähnlich Fig.
1 von abgeänderten Ausführungsforinen und Fig. 8 eine die für stereophonische
Zwecke verwendete Erfindung veranschaulichende Draufsicht. In Fig. 1 ist
eine, wie in der vorerwähnten Patentschrift beschriebenen Platte, Stab
1 od. dgl. dargestellt, die durch Biegewellen mit der Wellenlänge
Ab
in der Platte oder dem Stab 1 verformt ist. Die Wellenlänge Ab ist
größer als die Wellenlänge A. der akustischen Wellen,irn Umgebungsmedium,
wie beispielsweise Luft oder Wasser, so daß, wie durch die vorstehende Gleichung
(1) gegeben und durch die gestrichelten Wellenfronten angedeutet, richtungsmäßig
akustische Abstrahlung oder Einstrahlung un Winkel 0 stattfindet. Die Biegewellen
können durch einen elektromechanischen Antrieb 3, wie beispielsweise einen
magnetomotorischen oder magnetostriktiven Vibrator, erzeugt werden, der in der Nähe
eines Endes der Platte oder des Stabes 1
angeordnet dargestellt ist. Andere
Arten von Schwingungserregern, zu denen auch ein piezoelektrisches Gerät gehört,
können zur Erzeugung von Schwingungen in der Platte oder dem Stab 1 mit ihr
bzw. ihm gekuppelt werden. Umgekehrt, kann die Platte oder der Stab 1 durch
eine einfallende akustische Welle in Schwingung versetzt werden, und der Körper
3 kann die mechanischen Schwingungen für Empfangszwecke in elektrische Signale
umwandeln.
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Wie vorstehend erläutert, ändern sich die Ausbreitungsgeschwindigkeit
der Biegewellen und der Abstrahlungs- oder Empfangswinkel 0 mit der Veränderung
der Frequenz der Schwingungen ebenfalls. Die Quadratwurzelveränderung der Biegewellenausbreitungsgeschwindigkeit
mit der Frequenz [Gleichung(4)] ist in der mit III »Stand der Technik« bezeichneten
gestrichelten Linie nach Fig. 3 eingetragen, wobei die Frequenz an den Abszissen
in Hz und die Biegewellenausbreitungsgeschwindigkeit an den Ordinaten in m/s aufgetragen
ist. Wenn die Ausbreitungsgeschwindigkeit die horizontale gestrichelte, mit »Schallausbreitungsgeschviindigkeit
in Luft« bezeichnete LinieV überschreitet, tritt der Abstrahlungs- oder Einstrahlungsvorgang
mit Richtwirkung auf. Die Veränderung des Abstrahlungs-oder Einstrahlungswinkels
0 ist in der gestrichelten Kurve IV nach Fig. 4 in gleicher Weise aufgetragen.
Selbstverständlich würde sich in dem Falle, da das Gerät nach Fig. 1 bei
Vielfachfrequenzwellen verwendet wird, die Abstrahlungs- oder Einstrahlungscharakteristik
für die unterschiedlichen Frequenzen verschieben. Dies macht die Vorrichtung für
solche Zwecke, wie beispielsweise für Lautsprecherbetrieb u. dgl., ungeeignet.
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Erfindungsgemäß wurde jedoch festgestellt, daß in geeigneter Weise
gebaute vielschichtige Platten, Streifen od. dgl. dazu gebracht werden können, dem
Quadratwurzelgesetz der Gleichung (4) nur bis zu einer gewissen kritischen Frequenzf,
(Fig. 3) zu folgen, während oberhalb dieser Frequenzf, die Ausbreitungsgeschwindigkeit
der Biegewellen bei 1
über ein breites Band von Frequenzen im wesentlichen
konstant bleibt. Bei geeigneter Wahl von Parametern kann die Wirkungsweise solcher
Platten so abgestimmt werden, daß die kritische Frequenzf, der Bedingung fe, # CJIL
(5)
gehorcht, in der Cb' die konstante Biegewellenausbreitungsgeschwindigkeit
oberhalb des Bereiches 1
ist. Die konstante Ausbreitungsgeschwindigkeit Cb'
muß wiederum so eingestellt werden, daß der gewünschte Winkel (P maximaler Abstrahlung
durch das Verhältnis cos 0 = C./ci,' (6)
gegeben ist.
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Nach einer bevorzugten Ausführungsforrn der Erfindung wird ein geeignetes
vielschichtiges Bauteil zur Erzeugung dieser gewünschten Wirkungsweise, wie in Fig.
2 gezeigt, sandwichartig gebaut. Das
Bauteil besteht aus einem Paar
entgegengesetzt angeordneter, voneinander getrennt liegender steifer Häute oder
Oberflächen 1, l', die durch einen zwischengeschalteten Kein oder ein Abstandsstück
5
von viel geringerer Längssteifheit getrennt sind. Somit ist der effektive
Elastizitätsmodul der Flächen 1, l' viel größer als der des Abstandsstückes
oder Kerns 5.
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Zum Erzielen der Wirkungsweise der Kurve 1
nach Fig.
3 muß das Gewicht der Streifen 1, l'
klein gehalten werden, und es
muß die Schersteifheit des Kerns oder Abstandsstückes 5 so gewählt werden,
daß sie einen bestimmten Wert hat. Indem die Schersteifheit des Kerns oder Abstandsstückes
5 durch das Verhältnis S = y h (7)
in dem u. eine
Zahl und h die Dicke des Kerns oder Abstandsstückes 5 ist, kann die Bedingung
zur Erzeugung des gewünschten Vorgangs durch die Formel
ausgedrückt werden, in der M die Gesamtmasse je
Flächeneinheit der Streifen
1, l' ist. Die kritische Frequenz (Cb = Cb# ist durch den Ausdruck
gegeben, in der B die statische Biegesteifheit der zusammengesetzten Platte
1-54' ist. Unter solchen Umständen bleibt der Richtwirkungswinkel
0 oberhalb der wie bei II in Fig. 4 angegebenen kritischen Frequenz über
ein breites Band von Frequenzen im wesentlichen konstant.
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Wenn als Beispiel ein Abstandsstück 5 aus Papierwaben von
2,5 cm Dicke zwischen den daran befestigten, 0,075 mm dicken Aluminiumfolienhäuten
L l' verwendet wird, werden eine Ausbreitungsgeschwindigkeit CJ von
etwa der zweifachen Geschwindigkeit von Schall in Luft und eine kritische Frequenz
von etwa f, = 500 Hz in Luft erzielt. Zum Beibehalten einer im wesentlichen
konstanten Richtwirkung bis hinab zu der kritischen Frequenzf, erforderte die zusammengesetzte
Platte 1-5-l' eine Länge von etwa 60 cm. Die Vorrichtung diente als sehr
geeigneter Lautsprecher für an den Antrieb 3
angelegte Audiofrequenzen.
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Der Abstrahlungswirkungsgrad kann gesteigert werden, wenn die Breitew
des Streifens gesteigert wird. Gemäß der Gleichung (3) bedeutet jedoch gesteigerte
Breite eine verringerte obere Begrenzungsfrequenz. Folglich ist es zweckmäßig, anisotropische
Kernschichten mit in der zur Achse des Streifens senkrechten Richtung höherer Schersteifheit
anzuwenden, so daß in dieser Richtung die Biegewellenausbreitungsgeschwindigkeit
und Wellenlänge gesteigert werden. Die Wabenfonn des Kerns oder Abstandsstückes
5 schafft naturgemäß beispielsweise hinsichtlich seiner wenigen Zellenverbindungen
5'
einen Starrkörperschubmodul in der y-Richtung, senkrecht zur Längsachse
der Platte 1-5-l', jedoch parallel zu den Ebenen der Flächen 1 und
l' größer als der entlang der X-Achse.
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Eine Dämpfung des freien oder rechten Endes der in Betracht stehenden
Platte 1-5-l' würde zu einem Verlust an Schwingungsenergie und zu verringerter
Wirksamkeit der Vorrichtung führen. Es ist deshalb zweckmäßig, das Gewicht der zusammengesetzten
Platte 1-5-l' so niedrig zu halten, daß die Abstrahlungsdämpfung sich »entlang der
LängeL der Platte auf zwischen 5 urid 10 db beläuft. Es ist deshalb
am freien Ende eine geringe oder keine zusätzliche Dämpfung notwendig. Die Biegewellen-Eingangsimpedanz
muß von derselben Größenordnung sein wie die Gesamtabstrahlungsimpedanz der Platte.
Dies äußert sich darin, daß die Biegewellenamplituden mit dem Abstand abnehmen,
was eine Erweiterung in der Hauptkeule der Abstrahlungs- oder Einstrahlungs-Richtcharakteristik
erzeugt. Da jedoch die Seitenkeulen der Charakteristik gleichzeitig verringert werden,
wird dies allgemein als zweckmäßig angesehen.
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Die winkelmäßige Breite der Hauptkeule der Abstrahlungs- oder Einstrahlungscharakteristik
hängt, wie vorstehend erwähnt, von dem Verhältnis der Streifenlänge L und der Biegewellenlänge
Ab ab. Folglich nimmt die winkelmäßige Breite der Hauptkeule mit dem Zunehmen
der Frequenz ab. Diese Frequenzabhängigkeit der Abstrahlungscharakteristik, die
zu konstanten Abstrahlungswinkeln 0 der maximalen Abstrahlung, jedoch frequenzabhängiger
Breite des Maximums führt, wird zumindest teilweise unterdrückt, wenn die Bewegung
des Streifens durch Abstrahlungsdämpfung gesteuert wird. Da die Abstrahlungsdämpfung
mit der Vergrößerung des Verhältnisses WIAb ansteigt, steigt die Dämpfung mit der
Erhöhung der Frequenz an, so daß die effektive Länge des Streifens verringert wird.
In anderen Fällen kann eine konstante Abstrahlungscharakteristik erzielt werden,
indem man auf den vielschichtigen Streifen, wie im vorgenannten Patent behandelt,
geeignete Bedämpfungen anwendet.
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Andererseits wird in Fig. 5 durch isoliertes und freies Aufhängen
der Platte 1-5-l-' nach Fig. 2, beispielsweise an Aufhängungen6 innerhalb einer
Öffnung2 in einem Plattenaufhängkörper4 Vorwärts- und Rückwärtsabstrahlung oder
-einstrahlung erzielt.
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Richtwirkungscharakteristiken fast jeder Art können durch geeignete
Anordnuneen von mehreren am gleichen oder an gesonderten Übertragern 3 befestigten
zusammengesetzten Platten 1-5-l' erzielt werden. So sind in Fig.
6 bei '6 mehrere Platten 1-5-l-' innerhalb von mehreren, im wesentlichen
parallelen, getrennten Öffnungen 2 in einem eine unidirektionelle Charakteristik
ergebenden Plattenanbaukörper 4 aufgehängt dargestellt.
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Ein durch vergrößerte Abstrahlungsfläche erreichter höherer Wirkungsgrad
kann dadurch erzielt werden, daß man mehrere Platten 1-5-l' in einer Ebene
wie die Radien eines Kreises oder Sektors oder sie, wie in Fig. 7, auf der
Oberfläche eines Kegelanbaukörpers 4' anordnet, so daß eine Ab-
strahlung
in die gesamte zur Achse des Kegels senkrechte Platte oder in einen Teil von ihr
hinein erzielt wird.
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Die Platte 1-5-l' kann auch, wie in Fig. 9 gezeigt,
kreisartig ausgebildet sein, wobei der Wandler3 mit ihrer Mitte gekuppelt ist, so
daß eine kegelförmige Richtcharakteristik erzielt wird.
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Wenn die Platte nach der Erfindung durch Ab-
strahlung ausreichend
gedämpft wird, ist auch die Aufnahme oder Abstrahlung verschiedener Signale unter
Komplementwinkeln möglilch, beispielsweise, indem mari den Übertrager3 mit jedem
Ende der
Platte 1-5-l' kuppelt (Fig. 8). Diese beiden Signale
können als Beispiel zwei Komponenten einer Stereoschallaufzeichnung enthalten. Eine
stereophonische Wiedergabe dieser Art vermittelt einem Zuhörer oder Beobachter sowohl
an einer Stelle sehr nahe an der Platte im Überschneidungsbereich der Wellenfronten
als auch einem Zuhörer oder Beobachter B an einer mehr entfernten Stelle den gewünschten
Eindruck, sofern (im letzteren Falle) der Streifen, wie in Fig. 8 gezeigt,
zwischen reflektierenden Wänden angeordnet ist. Die beiden von den Seitenwänden
reflektierten Wellengruppen sind in voll ausgezogenen bzw. gestrichelten, die sich
gegenüberliegenden Ohren des Beobachters erreichenden Linien dargestellt.
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Es können natürlich auch andere Oberflächenarten als die Bahnen oder
Platten 1, 1** sowie auch andere Arten von zwischengeschalteten Bereichen,
Abstandsstücken oder Kernen3 verwendet werden, obwohl ihre relativen Parameter und
Eigenschaften den vorstehend hervorgehobenen Kriterien zwecks Erzeugung der der
Erfindung zugrunde liegenden Vorgänge gerecht werden müssen.
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Die Erfindung ist selbstverständlich nicht auf die beschriebenen und
dargestellten beispielsweisen Ausführungsformen beschränkt. Man kann daran zahlreiche,
dem Fachmann entsprechend der jeweils beabsichtigten Anwendung naheliegende Abänderungen
vornehmen, ohne daß man dadurch den Bereich der Erfindung verläßt.