DE551949C

DE551949C - Electrostatic device for converting electrical currents into sound and vice versa

Info

Publication number: DE551949C
Application number: DE1930551949D
Authority: DE
Original assignee: Westinghouse Electric and Manufacturing Co
Current assignee: CBS Corp
Priority date: 1929-05-27
Filing date: 1930-05-03
Publication date: 1932-06-08
Also published as: FR695243A; BE370615A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf elektrostatische Vorrichtungen . zur Umwandlung elektrischer Stromschwankungen in Schallenergie und Vorrichtungen zur Umwandlung von Schallenergie in elektrische Stromschwankungen, die ihnen entsprechen, beispielsweise elektrostatische Mikrophone, Telephone und Lautsprecher.The invention relates to electrostatic devices. for conversion electrical current fluctuations in sound energy and devices for conversion from sound energy into electrical current fluctuations that correspond to them, for example electrostatic microphones, telephones and loudspeakers.

Bei den bisher üblichen Kondensatorschallgeräten treten infolge des bekanntlich quadratischen Verlaufes der Anziehungskräfte bei der Annäherung der schwingenden Membran an die festen Elektroden leicht Verzerrungen auf, da Strom und Bewegung nicht proportional sind. Es sind zwar auch schon Vorschläge gemacht worden zur Beseitigung dieses Mangels, z. B. durch Anordnung von der Anziehung entgegenwirkenden, mechanischen Rückstellkräften, deren Größe wie die Anziehungskräfte quadratisch wächst; jedoch besitzen solche Membranen eine ausgeprägte Eigenschwingung und eine geringere Empfindlichkeit als Schallgeräte mit völlig labiler Membran, deren Bewegung zur Elektrode und zurück ausschließlich durch elektrostatische Kräfte gesteuert wird. Der im folgenden beschriebene Vorschlag kommt dieser zweiten Form nahe und weist deren Vorzüge außer weitgehender Verzerrungsfreiheit auf. Die Erfindung besteht darin, daß zwischen schwingende und feststehende Elemente eines Apparates ein Dielektrikum eingeführt wird, das schwach leitet, und das seinen elektrischen Widerstand in Abhängigkeit von den Bewegungen des schwingenden Gliedes gegenüber dem festen Element ändert.In the case of the condenser sound devices that have been customary up to now, the well-known square The course of the attractive forces when the vibrating membrane approaches the fixed electrodes is slightly distorted because current and movement are not proportional. There are already suggestions has been made to remedy this deficiency, e.g. B. by the arrangement of the attraction counteracting, mechanical Restoring forces, the size of which grows quadratically like the forces of attraction; However Such membranes have a pronounced natural oscillation and are less sensitive as sound devices with a completely unstable membrane, whose movement to the electrode and back is exclusively electrostatic Forces is controlled. The proposal described below comes close to this second form and has its advantages except that it is largely free of distortion. The invention consists in that between vibrating and stationary elements of an apparatus a dielectric is introduced, that conducts weakly, and that its electrical resistance as a function of the Movements of the vibrating member relative to the fixed element changes.

Es können auch Widerstände zwischen die Quelle des polarisierenden Potentials und die Elemente der Apparatur eingeschaltet werden, denen man mit Rücksicht darauf, daß der Apparat im stabilen oder ausgeglichenen Zustande keinen Strom aufnimmt, einen Wert von verschiedenen hunderttausend Ohm geben kann, ohne eine Verringerung des normal polarisierenden Potentials herbeizuführen. Der schwach leitende Stoff ist vorzugsweise von solcher Art, daß seine Leitfähigkeit bei Kompression zunimmt, und daß er auch eine schwache Dämpfungswirkung auf das bewegliche Glied oder die beweglichen Glieder ausübt. Wenn sich das bewegliche Element, veranlaßt durch Schalldruck oder veranlaßt durch ein schwankendes Potential (außer dem polarisierenden Potential) bewegt, so gestattet die erhöhte Leitfähigkeit des Halbleiters einen schwachenThere can also be resistances between the source of the polarizing potential and the Elements of the apparatus are switched on, which one should take into account that the apparatus does not draw any current in a stable or balanced state, one Can give value of various hundred thousand ohms without reducing the bring about normally polarizing potential. The weakly conductive material is preferable of such a nature that its conductivity increases upon compression and that it also has a weak damping effect exerts on the movable member or members. When the moving Element caused by sound pressure or caused by a fluctuating potential (apart from the polarizing potential) moves, the increased conductivity of the semiconductor allows a weak

Stromfluß durch diesen. Der Strom, der durch den Widerstand fließt, veranlaßt darin einen Spannungsabfall, der wiederum ein Senken des polarisierenden Potentials herbeiführt, das der Vorrichtung zugeführt wird. Das verminderte polarisierende Potential dient dazu, die vergrößerte elektrostatische Anziehung auszugleichen, die sich aus der Nähe des beweglichen Elementes und des ίο festen Elementes ergibt.Current flow through this. The current flowing through the resistor causes it in a voltage drop, which in turn causes a lowering of the polarizing potential, which is fed to the device. The decreased polarizing potential serves to increase the electrostatic To compensate for the attraction resulting from the proximity of the moving element and the ίο fixed element results.

Die Erfindung ist im folgenden beispielsweise an Hand der Zeichnungen beschrieben, die zwei Ausführungsformen wiedergeben, und zwar istThe invention is described below, for example, with reference to the drawings, reproduce the two embodiments, namely is

Fig. r eine schematische Darstellung eines Telephonempfängers oder Lautsprechers mit einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, Fig. R is a schematic representation of a telephone receiver or loudspeaker with a preferred embodiment of the invention,

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Telephonempfängers in einer zweiten erfindungsgemäßen Anordnung.Fig. 2 is a schematic representation of a telephone receiver in a second according to the invention Arrangement.

Der dargestellte Apparat besitzt eine bewegliche Mittelplatte 1; zu ihren beiden Seiten ist je eine feste Platte 2 angeordnet. Die Einrichtungen, mittels deren die Mittelplatte in der Mitte zwischen den beiden festen Platten aufgehängt ist, sind nicht dargestellt, da die besondere Ausführung der Aufhängung keinen Teil der Erfindung bildet. Die bewegliche Platte kann aus dünnem Papier bestehen, das metallisiert ist; es kann auch eine dünne Metallmembran sein. Die festen Platten bestehen vorzugsweise aus Metallgaze oder -gewebe, damit Öffnungen für den Austritt des Schalls gegeben sind. Die festen Platten sind mit den äußeren Klemmenenden der Sekundärwicklung 3 eines Hörfrequenztransformators 4 verbunden. In diesem Anschluß liegt ein veränderlicher Widerstand 5. Die bewegliche Platte ist mit einem Zwischenpunkt der Sekundärwicklung über eine Vorspannungsquelle 6 verbunden. The apparatus shown has a movable central plate 1; on both sides a fixed plate 2 is arranged in each case. The devices by means of which the central plate suspended in the middle between the two fixed panels are not shown as the particular design of the suspension does not form part of the invention. The moving plate can be made of thin Consist of paper that is metallized; it can also be a thin metal membrane. the Fixed panels are preferably made of metal gauze or fabric to allow openings for the exit of the sound are given. The solid panels are with the outer ones Terminal ends of the secondary winding 3 of an audio frequency transformer 4 connected. In this connection there is a variable resistor 5. The movable plate is connected to an intermediate point of the secondary winding via a bias voltage source 6.

Zwischen bewegliche Platte und jede der festen Platten ist ein schwach leitender Stoff 7 eingebracht. Der schwach leitende Stoff wird vorzugsweise in der Weise hergestellt, daß man Watte mit verdünnter chinesischer Tusche tränkt und sorgsam trocknet. Nach dem Trocknen soll die Watte kardiert oder sonstwie aufgelockert werden, damit die Masse auf die Raumeinheit verringert wird. Beim Betriebe der Vorrichtung als Lautsprecher werden die fluktuierenden Spannungen, die dem zu erzeugenden Ton entsprechen, der Primärwicklung des Transformators 4 aufgedrückt, so daß sie- Schwankungen des elektrostatischen Feldes zwischen dem beweglichen Element 1 und den festen Elementen 2 hervorrufen. Solange keine Hörfrequenzspannungen vorhanden sind, wird die resultierende Kraft, die bestrebt war, das Mittelelement ι zu bewegen, Null sein, weil der Zug des elektrostatischen Feldes zur Linken des Elementes gerade durch den Zug zur Rechten aufgehoben wird. Drückt man aber Hörpotentiale auf, so wird das Feld auf einer Seite des Mittelelementes verstärkt und gleichzeitig auf der entgegengesetzten geschwächt und umgekehrt. Infolgedessen wird eine wechselnde Kraft gleichförmig auf die gesamte Fläche des Mittelelementes ausgeübt, und wenn es große Fläche und sehr kleine Maße auf die Flächeneinheit besitzt, so wird diese wechselnde Kraft auch der umschließenden Luft mitgeteilt und als Schallenergie ausgestrahlt. There is a weakly conductive material 7 between the movable plate and each of the fixed plates brought in. The weakly conductive material is preferably made in such a way that soak cotton wool with diluted Chinese ink and dry it carefully. After drying, the cotton should be carded or otherwise loosened up so that the mass is reduced to the unit of space. When the device is operated as a loudspeaker, the fluctuating voltages, which correspond to the sound to be generated, the primary winding of the transformer 4 pressed so that they- fluctuations of the electrostatic field between the movable element 1 and the fixed elements 2 cause. As long as there are no audio frequency voltages, the resulting The force that tended to move the central element ι would be zero because of the Train the electrostatic field to the left of the element straight through the train to Rights is repealed. But if you press on hearing potentials, the field becomes a Side of the central element reinforced and at the same time weakened on the opposite side and vice versa. As a result, an alternating force is exerted uniformly over the entire surface of the central element, and if it is large in area and very small in unit area, it will this changing force is also communicated to the surrounding air and emitted as sound energy.

Ist der schwach leitende Stoff 7 nicht vorhanden, so bleibt das Mittelelement nicht im stabilen Gleichgewicht unter Einwirkung der Potentialen Spannung. Wenn es ein wenig aus seiner Lage gekommen ist, so verursacht die resultierende Veränderung im Felde durch die polarisierende Spannung eine Kraft, die die Lagenänderung noch zu vergrößern sucht; das Element wird ganz nach der einen Seite getrieben.If the weakly conductive substance 7 is not present, the central element does not remain in the stable equilibrium under the action of the potentials voltage. If it's a little has come out of its position, it causes the resulting change in the field the polarizing tension creates a force that increases the change in position seeks; the element is driven entirely to one side.

Diese Erscheinung muß kompensiert werden, wenn die Vorrichtung zufriedenstellend arbeiten soll. Man könnte sie auch ausgeglichen denken durch Zusatz einer Vielzahl von kleinen nicht leitenden Federn zwischen festen und beweglichen Elementen; aber ein solches Verfahren ist praktisch nicht durchführbar. This phenomenon must be compensated for if the device is satisfactory should work. You could also think of them as balanced by adding a variety of small non-conductive springs between fixed and moving elements; but one such a procedure is not practical.

Der schwache Leiter 7 aber übernimmt in vollkommen befriedigender Weise die Stelle des positiven Widerstandes, der durch die hypothetischen Federn eingeführt wäre, zumal er in folgender Weise- wirkt:The weak conductor 7, however, takes over the place in a completely satisfactory manner the positive resistance that would be introduced by the hypothetical springs, especially he works in the following way:

Bewegt sich das Mittelglied nach einer Seite, so wird der schwach leitende Stoff zwischen ihm und dem Gitter genügend zusammengedrückt, um seinen Widerstand zu verringern. Infolgedessen sucht ein schwacher Strom zwischen dem Mittelelement unter Einwirkung der Spannung der polarisierenden Batterie zu fließen. Ist die Größe des Widerstandes 5 richtig gewählt, so ist der Spannungsabfall an seinen Klemmen infolge dieses Stromflusses ausreichend, um das Feld zwischen dem Mittelelement und dem näheren Gitter zu verringern. Infolgedessen kommt eine Rückstellkraft zur Wirkung, weil ja das elektrostatische Feld zwischen dem anderen Gitter und dem Mittelelement noch vorhanden ist. Dadurch wird verhütet, daß das Mittelelement sich weiterbewegt als um eine Strecke, die genau proportional ist der aufgedrückten Hörfrequenzerregung. laoIf the middle link moves to one side, the material becomes weakly conductive compressed enough between it and the grille to reduce its resistance. As a result, seeks a weak Current between the central element under the action of the voltage of the polarizing Battery to flow. If the size of the resistor 5 is chosen correctly, the voltage drop is at its terminals as a result of this flow of current sufficient to break the field between the central element and the nearer one Lattice decrease. As a result, a restoring force comes into play, because yes electrostatic field still present between the other grid and the central element is. This prevents the central element from moving further than a distance which is exactly proportional to that which is pressed on Auditory frequency excitation. lao

Beim Arbeiten als Lautsprecher wird sich also das Mittelelement mit einer Geschwin-When working as a loudspeaker, the center element will move at a speed

digkeit bewegen, die eine lineare Funktion der Spannung ist, die ihm von dem Hörfrequenztransformator aufgedrückt wird, und es zeigt sich deutlich, daß keine Verzerrung der Schallwiedergabe stattfindet.movement, which is a linear function of the voltage given to it by the audio frequency transformer is pressed, and it can be clearly seen that there is no distortion the sound reproduction takes place.

Die Erfindung ist auch anwendbar auf Lautsprecher, bei denen die polarisierende Spannung eine Wechselspannung ist. Eine derartige Vorrichtung ist in Fig. 2 wiedergegeben, in welcher die den Elementen der Fig. ι entsprechenden Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind. Auch hier sind die außen gelochten Plattend und das innere . bewegliche Element 1 vorhanden. Statt der polarisierenden Quelle nach Fig. 1 enthält die Verbindung des Teiles 1 mit dem Mittelpunktabgriff des Eingangstransformators 10 eine Quelle 11 von Hochfrequenzspannung. Der Eingangstransformator 10 besitzt vorzugsweise Luftkerne, und seine Primärwicklung ist mit einer beliebigen Quelle 12 modulierter Hochfrequenzspannungen verbunden, beispielsweise mit den Ausgangsklemmen des Mittelfrequenzverstärkers eines Empfängers der superheterodynen Bauart.The invention is also applicable to loudspeakers in which the polarizing Voltage is an alternating voltage. Such a device is shown in Fig. 2, in which the elements of Fig. ι corresponding parts with the same Reference numerals are provided. Here, too, the plates are perforated on the outside and the inside . movable element 1 available. Instead of the polarizing source according to FIG the connection of part 1 with the center point of the input transformer 10 a source 11 of high frequency voltage. The input transformer 10 preferably has Air cores, and its primary winding is modulated with any source 12 High frequency voltages connected, for example to the output terminals of the medium frequency amplifier of a receiver the superheterodyne type.

Die Einstellwiderstände nach Fig. 1 sind durch mehrere einstellbare Drosseln 13 ersetzt, die dieselbe Funktion ausüben wie die Widerstände 5.The setting resistors according to Fig. 1 are replaced by several adjustable throttles 13, which perform the same function as the resistors 5.

Die Wirkungsweise des Apparates nach Fig. 2 ist in allen wesentlichen Punkten die gleiche wie die des Apparates nach Fig. 1. Die Vorrichtung nach Fig. 1 kann vorteilhaft als Mikrophon verwendet werden. In diesem Falle wird der Transformator umgekehrt, indem die Primärwicklung mit den äußeren Platten verbunden wird, während die Klemmen der Sekundärwicklung zu einem Verstärker führen.The mode of operation of the apparatus according to FIG. 2 is the same in all essential points same as that of the apparatus of FIG. 1. The device of FIG. 1 can be advantageous can be used as a microphone. In this case the transformer is reversed, by connecting the primary winding to the outer plates while the terminals of the secondary winding become one Lead amplifier.

Man kann auch den Transformator durch ein Potentiometer ersetzen und dieses in den Eingangskreis eines Mehrtaktverstärkers legen, falls es sich um einen Telephonsender handelt, oder in den Ausgangskreis eines Mehrtaktverstärkers bei einem Lautsprecher.You can also replace the transformer with a potentiometer and turn it into put the input circuit of a multi-clock amplifier, if it is a telephone transmitter acts, or in the output circuit of a multi-clock amplifier with a loudspeaker.

Claims

Patent claims:

1. Electrostatic device for converting electrical currents into sound and vice versa with a vibrating and a fixed element, which are separated by a dielectric, characterized in that that the dielectric, which is weakly conductive, its electrical Resistance changes as a result of the movements of the vibrating element relative to the fixed element.

2. Apparatus according to claim 1, characterized in that the through the Movements of the vibrating element in the dielectric caused changes in resistance the quadratic increase in the electrical attractive forces between the fixed electrodes and the counteract vibrating element.

3. Apparatus according to claim 2, characterized in that the vibrating Element without mechanical restoring devices between two fixed elements, and that one pole of the polarizing voltage is connected to the vibrating element, while the other pole is connected to the two fixed elements is connected via adjustable resistors without any other current-limiting devices.

4. Apparatus according to claim 1, 2 _f or 3, characterized in that the dielectric consists of a fluff-like pulp which is impregnated with a weakly conductive substance (for example, diluted Chinese ink).

1 sheet of drawings