DE551756C - Schalenfoermige Membran (Feder), insbesondere fuer akustische Zwecke - Google Patents

Description

DEUTSCHES REICH

AUSGEGEBEN AH 6. JUNI 1932

REICHSPATENTAMT

PATENTSCHRIFT

J& 551756 KLASSE 21a² GRUPPE

Patentiert im Deutschen Reiche vom 21. November 1928 ab

Die Erfindungbetrifft Membranen und Federn, insbesondere für akustische Zwecke, vor allem Telephonie, die gewisse günstige Eigenschaften haben.

Die Beschreibung möge auf dem elektromagnetischen Telephon aufgebaut werden. Die Membran kann aber ebensogut bei anderen akustischen Apparaten, wie z.B. elektrostatische Telephone, Lautsprecher, Signalhupen, mit Erfolg angewendet werden.

Wenn von einer Membran die Rede ist, so pflegt man darunter gewöhnlich ein dünnes Blatt zu verstehen, das an seinem ganzen Umfange eingespannt ist. Die Grenzen sind aber keine scharfen und für die grundsätzliche Entwicklung des Erfindungsgedankens nicht wichtig, wenn auch im praktischen Einzelfall von Bedeutung. Der Einfachheit halber soll hier stets von einer Membran gesprochen werden, auch wenn die Befestigung nur an einem Teile des Randes erfolgt ist und das Gebilde bei größerer Dicke und seiner Gestalt und Einspannung nach den Charakter einer eigentlichen Membran verloren hat und richtiger als eine Feder zu bezeichnen wäre.

Ein äußeres Kennzeichen der hier zu behandelnden Membran ist ihre gewölbte Form, etwa wie beim Deckel einer Blechdose, bei der das Verfahren des Wölbens benutzt worden ist, um sie zu versteifen. In der Akustik ist die Wölbung bekannt als ein Mittel, um die Mitte einer Membran starr zu machen, meistens in Verbindung mit einer biegsamen Randzone, so daß ihre Bewegung kolbenartig wird. Die nachstehend beschriebene Membran steht hierzu im Gegensatz. In der Regel wird eine besonders starre Randzone vorgesehen. Die Steifheit der gewölbten Mitte dagegen wird gebrochen durch elastische (unterhalb der Proportionalitätsgrenze des Werkstoffes liegende) Spannungen, die in dem Werkstoff der Membran erzeugt und hier dauernd erhalten werden. Diese elastischen Spannungen bewirken, daß die Membran in der Richtung von der konkaven zur konvexen Seite viel steifer ist als in der umgekehrten Richtung, und daß sich ihre Steifheit rapide steigert, je mehr sie nach der konvexen Seite durchgedrückt oder etwa von einem Magneten durchgezogen wird. Bei der Beurteilung dieser Steifheit sind Bewegungen zugrunde zu legen von der Größenordnung des Luftspaltes zwischen Membran und Magnetpolen. Ohne Gefahr, daß die Membran an den Polen klebt, kann man dann den Luftspalt zwischen beiden viel kleiner wählen, als dies bisher möglich gewesen ist. Gleichzeitig kann man durch entsprechende Wahl der Größe und Form der Wölbung und der Größe der elastischen Spannungen nicht nur die Resonanzfrequenz ein und derselben Membran nach Wunsch einrichten, sondern auch die gesamte Form der sogenannten Resonanzkurve (Bar pro Volt, abhängig von der Frequenz) in weiten Grenzen nach Wunsch gestalten. Durch dies Mittel lassen sich dann Fehler des Mikrophons, der Leitung und ihrer Ausrüstung verhältnismäßig einfach korrigieren, indem schwach durchdringende Frequenzen in der Telephonmembran besonders hervorgehoben werden.

Als ein Ausführungsbeispiel für die Herstellung und das Aussehen der Membran mögen die Abb. ι und 2 und als Beispiel für die. Erzeugung der besonderen Eigenschaften das nach-S stehend beschriebene Verfahren dienen.

M (Abb. 1) ist die Membran in ihrer ursprünglichen ebenen Form. Sie ist in einer Fassung B eingespannt, und zwar sind Membran und Fassung so innig miteinander verbunden, daß sie ίο praktisch einen Körper bilden. Dadurch wird die Gefahr einer ungewünschten nachträglichen Beeinflussung der Membraneigenschaften vermieden, die eintreten würde, wenn die Verbindung durch Zug, Druck und Vibrationen auch nur im mindesten nachgibt. Die Verbindung kann durch Schweißen, Löten und ähnliche Mittel oder dadurch erfolgen, daß die Flächen der Fassung, die an die Membran angepreßt werden, mit Aussparungen oder Rillen versehen sind, 7.0 die sich in den Membranrand scharf eindrücken.

Es ist zweckmäßig, zuerst diese Einspannung vorzunehmen (Abb. 1) und dann erst die Ausprägung der gewölbten Form und das Hinzufügen von künstlichen Spannungen, vor allem das letztere. Wollte man die Membran vor der Einspannung formen, so dürfte man in der fabrikationsmäßigen Herstellung kaum zwei gleiche Membranen erzeugen. Praktisch gar 3" nicht zu kontrollierende Unterschiede in der Einspannung und geringfügige Ungleichheiten in der Form der Fassungen haben eine große Einwirkung auf die Eigenschaften der Membran, so daß es zweckmäßig ist, ihr diese Eigenschaften erst nach dem Einspannen in die Fassung zu erteilen.

Mit Hilfe von passenden Stempeln wird die Membran in die Form M₁ geprägt. Man erkennt den gewölbten Mittelteil, die Schale und die Randzone in Form eines abgestumpften Kegels, dessen ideelle Spitze auf der konkaven Seite der Schale liegt. Die Kante zwischen Schale und Randkegel sollte scharf, fast schneidenartig ausgeprägt werden. So erhält die Randzone die wünschenswerte Vereinigung von Formbarkeit, Steifheit und Widerstandsfähigkeit zum Zwecke der Erzeugung und dauernden Erhaltung der inneren Spannungen in der Schale, die der Membran ihren Charakter geben.

Durch Ausüben eines Drehmomentes (Pfeile in Abb. 2) längs der Peripherie der Schale oder der Randzone werden nunmehr in dem Werkstoff der Membran Spannungen erzeugt, die die Wölbung um den Betrag f vermindern. Hierdurch nimmt die Membran die Gestalt Af₂ an und erhält die oben geschilderten Eigenschaften. Prüft man ihre Elastizität, indem man sie allmählich nach unten durchdrückt, so stellt sich heraus, daß sie anfangs verhältnismäßig sehr weich ist und sich versteift, je mehr die Durchdrückung sich dem Werte f und somit die Membran sich ihrer ursprünglichen Prägeform M₁ wieder nähert. oder darüber hinausgeht.

Abb. 3 zeigt als Beispiel zwei Elastizitätscharakteristiken, die die Durchbiegung D einer so vorbereiteten Membran als Funktion einer in ihrer Mittelzone wirkenden, nach unten gerichteten Kraft P darstellt, und zwar bei gleicher erster Wölbung M₁, aber zwei verschieden großen Rückwölbungen /. Somit hat man die Form der Elastizitätscharakteristik und damit die Form der Resonanzkurve in weiten Grenzen in der Hand.

Die Ähnlichkeit mit den bekannten Magnetisierungskurven von ferromagnetischen Stoffen fällt auf, so daß man wohl auch hier von dem Knie der Kurven sprechen kann. In allen Apparaten, in denen eine äußere Kraft dauernd 8n auf die Membran wirkt (elektromagnetische Telephone), wird diese Kraft zweckmäßig so groß gemacht, daß die Membran im Gebiete des Knies arbeitet. Wichtig ist meistens, daß das Gebiet des Knies nicht sehr groß ist und sich bei den üblichen Apparaten nicht über etwa ¹Z₁₀ mm ausdehnt.

Die Prägung in die Form M¹ ist automatisch. Die Ausführung der Rückwölbung um f dagegen wird zweckmäßig unter Vornahme von Messungen mit Hilfe einer Meßuhr ausgeführt, die es gestattet, ¹J₁₀₀ mm genau abzulesen.

Um in Werkstoffen, wie sie sich für die Membranen eignen, z. B. mittelharter Stahl und harte Bronze, die richtigen inneren Rückwölbspannungen zu erzeugen, ist es notwendig, daß man die Membran fünf- oder zehnmal soviel nach oben durchdrückt, als der für die Rückwölbung f gewünschte Betrag ausmacht. In einem gewissen praktischen Fall sollte f = 0,2 mm werden. Um dies zu erreichen, mußte man die Membran um etwa einen Millimeter nach oben durchdrücken. Sie federte dann um 0,8 mm wieder zurück, so daß f = 0,2 verblieb. Bei dieser großen Rückfederung ist ein Verfahren zweckmäßig, das sich die bekannten Ermüdungserscheinungen des Materials zunutze macht. Danach wird das Zurückdrücken nach oben in geringerem Maße, dafür aber mehrfach vorgenommen. In obigem Beispiel würde man statt um ι mm nur um etwa 0,6 mm nach oben durchdrücken und dies öfter wiederholen. Dann würde sich die' Rückwölbung f in Stufen von ■twa 0,05 mm allmählich dem gewünschten Wert o,2 nähern. Die Stufen sollten so klein gehalten werden, daß sie innerhalb der mit Rücksicht auf die Eigenschaften der gesamten Membran zulässigen Toleranzen liegen.

Für die Eigenschaften der Membran ist nicht nur ihre eigene Elastizitätskurve (Abb. 3) maß- ;ebend, sondern auch der Charakter der auf die

Membran wirkenden äußeren Kräfte, insbesondere der des Magneten bei Schallwiedergabeapparaten, die auf elektromagnetischem Prinzip beruhen. Um diese Kräfte zu berücksichtigen, muß die Steifheit der Membran mit wachsender Durchbiegung um so steiler zunehmen, jeschärfer die Magnetkräfte mit der Annäherung der Membran an die Pole anwachsen. Erfolgt dies quadratisch, so sollte sich die elastische Kraft der

ίο Membran mit der dritten oder vierten Potenz steigern, soweit bei einer nicht genau dem Potenzgesetz folgenden Kurve innerhalb der in Betracht kommenden Grenzen ein solches Gesetz Geltung hat.

Abb. 2 stellt auch den Schnitt durch eine Feder dar, wenn man sich den zugehörigen Grundriß nicht rund, sondern rechteckig und Mo nur an den beiden gegenüberliegenden Seiten eingespannt denkt. Es ist nicht notwendig, daß die Magnet- und Antriebskraft unmittelbar an die Feder M₂ angreift. Dies kann unter Wahl einer passenden Übersetzung mit Hilfe eines Hebels geschehen, der mit einem Anker für das Magnetsystem ausgerüstet ist.

Claims (6)

1. Patentansprüche:

   i. Schalenförmige Membran (Feder), insbesondere für akustische Zwecke, deren ungezwungene starre Wölbung durch in ihr wirkende elastische Spannungen vermindert und die dem Einfluß einer äußeren Kraft ausgesetzt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere Kraft (Magnetzug) in Gegenwirkung zu den inneren Spannungen bestrebt ist, die Wölbung der Schale wieder zu vertiefen.
2. 2. Membran nach Anspruch 1 in Verbindung mit einem Magneten, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnet auf der konvexen Seite angeordnet ist und seine Zugkraft in Gegenwirkung zu den inneren Spannungen bestrebt ist, die Wölbung der Schale wieder zu vertiefen.
3. 3. Membran nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere Kraft in Größe und Charakter so bemessen wird, daß unter ihrer Einwirkung die Membran in das Arbeitsgebiet des Knies (Teil mit ausgeprägter Biegung) ihrer resultierenden Charakteristik versetzt wird.
4. 4. Membran nach Anspruch 1 in Zusammenwirkung mit einer äußeren Kraft (Magnetzug), dadurch gekennzeichnet, daß beim Durchbiegen der Membran in der Riehtung der äußeren Kraft um einen Betrag von der Größenordnung des günstigst eingestellten Luftabstands zwischen der Membran und den Magnetpolen der Zuwachs an elastischer Kraft erheblich größer ist als die Abnahme an elastischer Kraft beim Durchbiegen um den gleichen Betrag in entgegengesetzter Richtung.
5. 5. Membran nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die starre Wölbung und die elastischen Spannungen so gewählt werden, daß die durch Fernleitungen, Mikrophone und andere Einflüsse unverhältnismäßig geschwächten Frequenzen von der Membran besonders betont werden.
6. 6. Feder (Membran) nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebskraft durch einen Hebel auf die Membran einwirkt.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen