DE569701C - Tonaufzeichnungs- und Tonwiedergabevorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft Tonaufzeichnungs- oder Tonwiedergabevorrichtungen für Sprechmaschinen, und im besonderen bezieht sich die Erfindung auf solche mit mechanischen Filtern.

Es ist bekannt, daß mechanische Schwingungssysteme, die aus Massen und elastischen Teilen bestehen, durch geeignete Dimensionierung und Kopplung der einzelnen Teile in ein mechanisches Wellenfilter umgeändert werden können, das die mechanischen Schwingungen in derselben Weise weiterleitet, wie elektrische Wechselströme in einem elektrischen Filter übertragen werden. Derartige mechanische Systeme können wahlweise Schwingungen aller Frequenzen innerhalb gegebener Grenzen weiterleiten.

Es ist auch bekannt, daß, wenn der eine oder beide durch das Filter verbundenen Teile von einer die Energie verbrauchenden Art sind und einen mechanischen Widerstand zeigen, der annähernd gleich der charakteristischen Belastung (Impedanz) oder dem Wellenwiderstand des Filters bei den Frequenzen innerhalb des gegebenen Frequenzbandes ist, eine gleichförmige Übertragung dieser Frequenzen erzielt wird.

Mechanische Filter werden bereits in Verbindung mit Schallwiedergabe- und Schallauf zeichnungsvorrichtungen, also auch mit akustischen Schalldosen von Sprechmaschinen, verwendet, um den Wirkungsbereich dieser Einrichtungen in der Weise zu erhöhen, daß alle Frequenzen, die für die Sprache und Musik von Wichtigkeit sind, in diesen eingeschlossen sind. Bei diesen bekannten Systemen bildeten jedoch die Hauptteile des Filters einen besonderen Zusatz zur Schalldose, dem die vorhandenen Massen und Elastizitäten der Schalldose, ζ. B. der Schallstift, der Xadelarm o. dgl., so angepaßt waren, daß sie hierzu harmonierende Abschnitte der Siebkette bildeten. Eine gleichförmige Übertragung wurde in der Weise erhalten, daß das Filter durch eine die Energie verzehrende Einrichtung abgeschlossen wurde, die praktisch die ganze Schwingungsenergie verbrauchte und nur einen ganz kleinen Teil hiervon für den Verwendungszweck übrig ließ.

Bei Schallwiedergabeeinrichtungen, z. B. Sprechmaschinen, bei welchen die Energie der mechanischen Schwingungen direkt in Schallenergie umgeformt wird., bildet der Strahlungswiderstand des den Schall aussendenden Teiles die Belastung des mechanisehen Schwingungssystems. Esistauchbekannt, Schallerzeugungseinrichtungen so zu konstruieren, daß der Strahlungswiderstand für den

ganzen Bereich, der hörbaren akustischen Frequenzen derselbe bleibt. Ferner ist auch bekannt, das schmale Ende des Trichters mit einer geeignet dimensionierten Luftkammer zu verbinden, mittels welcher die Größe des Strahlungswiderstandes innerhalb willkürlicher Grenzen eingestellt werden kann.

Bei den bisher bekannten Schalldosen mit mechanischer Siebkette waren die die zusätzliche Siebkette bildenden Glieder wegen ihres Raumbedarfs störend. Die Erfindung vermeidet solche zusätzliche Siebkettenglieder, vereinfacht hierdurch den äußeren Aufbau der Schalldosen mit Siebketten, erreicht aber trotzdem die gewünschte Siebkettenwirkung. Dies wird gemäß der Erfindung im wesentlichen dadurch erreicht, daß außer den bei den gewöhnlichen Schalldosen vorhandenen Elastizitäten, wie z. B. der elastischen Schallnadel und dem zwischen der Membran und dem Trichterumfang befindlichen Luftraum, noch andere sich in den inneren Aufbau der Schalldose eingliedernde Teile als Siebkettenglieder ausgebildet sind. Insbesondere erfolgt dies gemäß der Erfindung bei einer als Elastizität wirkenden Einschnürung des Nadelarms, bei dem an sich bekannten, spinnenartigen Arm der Verbindung zwischen Nadelarm und Membran, sowie bei der elastischen Lagerung der kolbenartig wirkenden Membran. Diese besonderen Ausbildungen der Einzelteile der Schalldose sind zwar an sich bei einzelnen Schalldosen bekannt. Die Neuerung beruht gemäß der Erfindung darin, diese als Einzelteile bekannten Einrichtungen für die an sich bekannte mechanische Siebkette der Schalldose auszunutzen. Diese Elastizitäten sind erfindungsgemäß mit Bezug auf die dazugehörigen Massenglieder der Schalldose so abgestimmt, proportioniert und angeordnet, daß sie allein die mechanische Siebkette bilden, und daß die Schallwellen frei und gleichförmig ohne eine bemerkenswerte Dämpfung innerhalb der wichtigsten Frequenzreihe ausgesandt werden, die mehr als .2¹/» Oktaven umfaßt. Die einzelnen Teile des Filters (bei der gezeigten Ausführungsform sind drei Abschnitte angenommen), die die wichtigsten Teile einer akustischen Schalldose umfassen, haben gleichförmige Widerstände (Impedanzen) für die ausgewählten Frequenzreihen und passen zu dem Widerstand des Schalltrichters.

Die Abb. 1 der Zeichnung zeigt schematisch die Teile des Schallübertragungsweges von der Nadelspitze bis zur freien Luft bei einer mechanischen Sprechmaschine gemäß der Erfindung.

In der Abb. 2 ist eine solche mechanische Impedanzanordnung mit elektrischen Symbolen dargestellt.

Zum Vergleich mit einem elektrischen Übertragdngsstromkreis wird die mechanische Übertragungseinrichtung als Linie mit Reihenoder Parallelkomponenten betrachtet. Es sei darauf hingewiesen, daß die Sprechmaschine als eine einzige Linie dargestellt wird, deren Parallelzweige im allgemeinen in den freien Raum wirken. In Wirklichkeit wirken die Zweige in die Luft. Aber da die Zweige sehr kleine Dimensionen im Verhältnis zu den Wellenlängen der Sprechfrequenzen in der Luft besitzen, wirkt die Luft wie ein freier Raum für die meisten Teile, da eine Zerstreuung infolge der Übertragung in die Luft sehr klein ist.

Die Parallelzweige der Linie ergeben den Durchgang für den mechanischen Strom von dem Hauptreihenweg. Die Reihenelemente der Linie sind Teile, durch welche der ganze Strom der mechanischen Linie fließen muß. Das für einen mechanischen Umformer benutzte Symbol ist dasselbe, wie es gewöhnlich in elektrischen Stromkreisen Verwendung findet und zeigt nur eine Änderung der Ver-Schiebungsgeschwindigkeiten an diesen Punkt an.

Die charakteristische Impedanz ist für jeden Filterabschnitt die gleiche, und die Impedanz des Filters ist dem Endbelastungs- go widerstand für alle Frequenzen innerhalb des Bereiches angepaßt. Infolgedessen kann die Erfindung als ein System bezeichnet werden, bei welchem die mechanischen Impedanzen der Abschnitte, die das Filter und den Schallwiedergabeapparat darstellen, allen Punkten der Verbindung zwischen der Nadelspitze und der Trichteröffnung angepaßt sind.

Das in Abb. 1 dargestellte System besteht aus den üblichen Gliedern, nämlich einem Nadelhalter, einer Membran, einem Trichter, zusammen mit einer Luftkammer für die Verbindung zwischen der Membran und dem Trichter. Außerdem ist ein elastisches, in bekannter Weise mit Armen versehenes Zwischenglied für die Verbindung zwischen dem Nadelarm, und der Membran vorgesehen. Dieses Zwischenglied soll die Antriebskraft gleichförmiger über die Fläche der Membran verteilen. Die Impedanzteile des Systems sind no in der bei elektrischen Siebketten üblichen Form in der Abb. 2 gezeigt. Die entsprechenden mechanischen Teile haben in Abb. 1 die gleichen Bezugszeichen.

Der erste Teil des Systems besteht aus der Nadel und dem Nadelarm. Dieser ist drehbar gelagert. Vermöge der Hebelkraft wird die Nadelspitzengeschwindigkeit umgeformt, bevor sie der Nadelarm auf die Membran überträgt. Außer der Umformereigenschaft iao besitzen diese Teile Masse und Elastizität. Die Elastizität S₁ der Nadel absorbiert einen

Teil der der Nadel durch die Aufzeichnung mitgeteilten schwingenden Bewegung und wirkt infolgedessen als Parallelimpedanz am Eingangsende. Die Masse Tn₁ des Nadelarmes liefert einen Trägheitswiderstand, und die Elastizität .S₃ des Nadelarmes stellt eine Kupplungsbelastung (Kopplungsimpedanz) parallel zu dem übrigen Teil der Linie dar. In der Abb. 2 ist der Nadelarm durch den Transformator T₁, durch die Masse To₁ und durch die Elastizität S₁ dargestellt. Dabei bedeutet die Masse In₁ die wirksame Masse des Nadelarmes am Membranende. Der zweite Teil des Systems besteht aus dem Zwischenglied, das die Form einer kelchförmigen Scheibe und eine Reihe von elastischen radialen Armen hat, deren Enden an der Membran befestigt sind. Von diesem Zwischenglied ist der feste Mittelteil in Abb. 2 durch die Linien- oder

so Reihenmasse m₂ und es sind die Arme durch die Kupplungselastizität s_r> dargestellt. Der dritte Teil des Systems besteht aus der Membran- und der Luftkammer, die in der Abb. 2 durch die Masse rn₃ und die Elastizitätsdargestellt sind. Der vierte Teil besteht aus der akustischen Belastung und schließt die Luftkammer im Hinblick auf ihre Umformertätigkeit ein, was durch T₂ und die Strahlungsbelastung Z/, angedeutet ist.

Dies sind die wesentlichen Teile des Siebkettensystems. Es sind jedoch noch zusätzliche Belastungen infolge der elastischen Beschränkungen vorhanden, die durch das Stützen und Verbinden der wesentlichen Linienabschnitte miteinander entstehen. Die Elastizität S₂ stellt die Beschränkung der Nadelarmbewegung durch das Drehlager dar. Die Elastizität S₄ stellt die Beschränkung des mit Armen versehenen Zwischengliedes infolge der Biegung an der Stelle seiner Verbindung mit dem Nadelarm dar. S₆ stellt die elastische Beschränkung der Membran infolge ihrer Einspannung am Rande dar. Durch passende mechanische Konstruktionen, die an sich bekannt sind, können diese Reihenelastizitäten so klein gemacht werden, daß ihre Wirkung hier vernachlässigt werden kann. Bei einem System der geschilderten Art ist die wichtigste Reihenelastizität die Elastizität der Membran. Vom Standpunkt der Wellenfiltertheorie aus betrachtet stellt das Vorhandensein einer Reihenelastizität eine geringere Grenzfrequenz bei der Eigenfrequenz der eingespannten Membran her und bewirkt eine Dämpfung der Wellen der niedrigeren Frequenzen. Die obere Grenze des Übertragungsbandes ist durch diejenige Frequenz genau bestimmt, bei welcher die eingespannte Membran mit der Elastizität der Luftkammer in Resonanz sich befindet. Hier wird angenommen, daß die Trichteröffnung abgeschlossen ist. Sie ist im wesentlichen gleich der Quadratwurzel von 2 χ dieser Frequenz. Obgleich die Dämpfung bei den Frequenzen unterhalb der niedrigeren Bandgrenzen gering ist, so ist es doch wünschenswert, daß diese Grenze so niedrig als möglich wird, indem die Reihenelastizität infolge der Einspannung vermindert wird. Eine geeignete Prüfung zur Bestimmung dieses Teils des Systems erhält man, indem die beiden Resonanzfrequenzen bestimmt werden und der Abstand zwischen denselben beachtet wird.

Für die Proportionierung der verschiedenen Teile des Systems gemäß der Erfindung ist es notwendig, daß die numerischen Werte der Belastungen (Impedanzen) und auch ihre Veränderungen mit den Frequenzen bekannt sind. Das System wird als eine mechanische Linie mit einer punktförmig verteilten Impedanz aufgefaßt, die aus einer Kette von Massengliedern besteht, welche hintereinander durch elastische Glieder gekuppelt sind. Jedes Glied der Masse m ist also nacheinander mit einem Glied der Elastizität s gekuppelt. Die Linie ist ein mechanisches breites Bandwellenfilter und kann frei die Wellen aller Frequenzen bis zu dem Grenzfrequenzwert f_c übertragen, der durch folgende Gleichung bestimmt wird:

Bei dem größeren Teil dieser Reihe nähen sich die charakteristische Impedanz dem konstanten Wert:

Z₁ — γ ms.

(2)

Derselbe wird als nominelle charakteristische Impedanz bestimmt. Der genaue Wert hängt von dem Punkt ab, an welchen die Linie einer Messung unterworfen wird, d. h. von der Impedanz des Endelements am Messungspunkt. Zwei dieser Punkte sind von besonderer Wichtigkeit. Bei dem ersten endigt die Leitung in einem Reihenelement mit der Hälfte . der Impedanz des regulären Reihenelements, und bei dem zweiten endigt die Leitung in einem Parallelelement mit der doppelten Impedanz eines normalen Parallelelements. Diese als Mitte-Reihen bzw. Mitte-Nebenschluß bekannten Punkte stimmen darin überein, daß die charakteristische Impedanz einen ausgesprochenen Widerstand bei allen Frequenzen des Übertragungsbereiches hat. Es ist im allgemeinen vorzuziehen, von dem einen oder dem anderen dieser Punkte Gebrauch zu machen, wenn die Linie mit einer Widerstandsbelastung oder mit einer anderen Linie mit einer charakteristischen Widerstandsimpedanz verbunden werden soll. Aus diesem Grunde ist die Elastizität S₇ der Luftkammer

gleich. 2 χ der normalen Elastizität S₃ des Nadelarms gemacht.

Die vorhergehenden Betrachtungen gemäß den Gleichungen (i) und (2) führen zu derfolgenden bestimmten Formel für die Impedanzkoeffizienten in Ausdrücken der Begrenzungsfrequenz des Übertragungsbereiches und der charakteristischeii Imp edanz:

m =

s =

Die Wirkung der Luftkammer an der Trichtermündung als Transformator besteht darin, die Trichterbelastung der charakteristischen Impedanz des mechanischen Systems anzugleichen. Die Einschaltung des Luftkammertransformators in das System ermöglicht es, daß das mechanische Glied mehr oder weniger unabhängig von dem Trichter bestimmt werden kann und demselben eine den verwendeten Baustoffen geeignete praktische Form und Abmessung gegeben werden kann. Wirkt die Membran wie ein Kolben, so kann die Belastungsumwandlung berechnet werden. Ist die Membranfläche A₁ und die Öffnungsflächc am schmalen Ende des Trichters A₀, dann ist das Verhältnis der Luftgeschwindigkeit V₁ an der Membranfläche zu der Geschwindigkeit V₀ an der Trichtermündung gegeben, durch

(5)

Angenommen, daß in einem Augenblick die Luft in der Luftkammer nicht zusammendrückbar ist, dann ergibt, da man keine Energieabsorption in der Luftkammer hat, die Forderung, daß die der Luft durch die Membran mitgeteilte Energie der auf den Trichter übertragenen Energie gleich sei, Anlaß zu der Beziehung

ViZ₁=VlZ₁₁. (6)

Hierbei bedeutet Z₁ die Impedanz des akustischen Systems, wie es von der Membran aus gesehen wird. Das Transformationsverhältnis folgt leicht aus den Gleichungen (5) und (6):

Z_h

(7)

Die Tatsache, daß die Luft in der Luftkammer zusammendrückbar ist, muß dadurch berücksichtigt werden, daß die Elastizität der Luftkammer als ein Belastungsglied in das mechanische System eingeschaltet wird.

Die Luftkammerelastizität wird als das Verhältnis der vergrößerten Druckbelastung an der Membran infolge der Änderung des Luftvolumens zu der entsprechenden linearen Verstellung des Mittelpunktes der Membran bestimmt. Für die Berechnung des Wertes hierfür wird die Luftkammer als vollständig abgeschlossener Raum behandelt, und ferner nimmt man an, daß die Druck- und Volumenänderung dem adiabatischen Expansionsgesetz folgen. Auf dieser Grundlage ergibt sich für die Elastizität folgende Formel:

(8)

Hierbei bedeutet V das Luftkammervolumen, ρ die normale Luftdichte und c die Schallgeschwindigkeit in der Luft. Die anderen Faktoren besitzen die bereits bestimmten Werte. Auf Grund der vorhergehenden Formern ist es möglich, das System gemäß der Erfindung vollständig auszuführen. Irgendeines der Elemente des mechanischen Systems muß man dabei als den Ausgangspunkt für die Anordnung wählen. Da sich im ganzen die praktische Betrachtung der Konstruktion der Membran zuwendet, ist es am zweckmäßigsten, dieses Element für den Ausgangspunkt zu wählen. Sind die Dimensionen und die Masse der Membran gewählt, so können leicht die Werte der Luftkammer und die Elastizitäten und Massen der anderen Elemente, in Ausdrücken der Membranmasse und der oberen Grenzfrequenz mit Hilfe der Gleichungen (3) und (4) berechnet werden. Die Bestimmung der wirklichen physikalischen Dimensionen, die für die Erhaltung der gewünschten Massen- und Elastizitätskoeffizienten notwendig ist, erfolgt nach den bekannten Regeln des mechanischen Aufbaus. Das Volumen der Luftkammer wird aus der Membranfiäche und der gewünschten Elastizität mit Hilfe der Gleichung (8) bestimmt, oder das Volumen kann auch leicht in den Werten der Grenzfrequenz und der charakteristischen Impedanz ausgedrückt werden, indem der Wert von S₇ Formel (4) in die Formel (8) eingesetzt wird. Dies ergibt:

l \

V=r.

(9)

In den vorhergehenden Formeln sind c, g, s Einheiten angenommen. Der Faktor ρ C₁ der bei der Trichterimpedanz vorkommt, hat den angenäherten Wert 41 bei gewöhnlichem Druck und Temperatur, und der Faktor ρ j: in den Gleichungen (8) und (9) hat den Wert i, /ye, io⁶.

Die Nadelelastizität S₁, wie sie von der Membranseite des Transformators T₁ gesehen wird, kann zweimal so groß sein als gewöhnlieh. Es ist aber vorzuziehen, eine kleinere Elastizität zu benutzen als die, welche unge-

fähr gleich dem normalen Wert dividiert durch 0,8 ist. Der Grund hierfür liegt darin, daß die Antriebsquelle fast ungefähr einer Quelle von unbestimmter Impedanz und unbestimmter Kraft entspricht. Die Bewegung der sich zusammen mit dem Plattenteller drehenden Schallplatte ist kräftig genug, um die Schwingungen der Nadelspitze unabhängig von der Impedanz des Systems mitzuteilen. Es ist also hierfür keine Betrachtung für die Anpassung anzustellen. Eine kleinere wirksame Nadelelastizität verursacht eine etwas verbesserte Ansprechcharakteristik bei höheren Frequenzen.

Die Nadelelastizität wird im allgemeinen durch die verfügbaren Nadeln bestimmt. Eine gewöhnliche volle Schallnadel kann im allgemeinen dann gewählt werden, wenn die Elastizität S₁ den ungefähren Wert von 80 X io^f! hat. Diese ist auf den gewünschten wirksamen Wert einzustellen,-indem man dem Nadelarm das genaue Übertragungsverhältnis gibt. Wird die Länge des Nadelarms vom Drehpunkt zum Membranantriebspunkt mit I₁ bezeichnet und die Länge vom Drehpunkt zur Nadelspitze mit L₂, dann ist das Verhältnis

der Schwingungsübertragung gleich j- und

das Impedanzverhältnis gleich f . Das ge- \ Ί /

naue Nadelarmverhältnis wird dann aus folgender Gleichung gefunden:

Hierbei ist Z., die Nadelspitzenimpedanz, s der normale Wert der Elastizitäten S₃ und s,-„ und S₁ ist gleich 0,8 χ 80χ ίο". Die anderen Faktoren besitzen schon bestimmte Werte.

Für die Öffnung am Trichteranfang ist ein Durchmesser von 1,75 cm und eine Fläche von 2,47 qcm geeignet. Diese Größe ist einerseits nicht so klein, daß sie eine große Verzerrung oder Verlust infolge der hohen Schallstärken und Geschwindigkeiten in sich schließen würde, andererseits nicht so groß.

daß eine Membran erforderlich wird, die unpraktisch leicht ist. Nimmt man einen Trichter an, der in einem genügend geringen Maße konisch spitz zuläuft und eine große Öffnung hat, um wirksam den ganzen akustischen Bereich in die Luft zu übertragen und auszustrahlen, so entspricht seine charakteristische Impedanz der eines Zylinderrohres von unbestimmter Länge.

Ein solches siebkettenartiges System überträgt die Energie in jeder Richtung ohne beträchtliche Reflexionsverluste, so daß es sowohl zum Aufzeichnen als auch zum Wiedergeben von Tönen zu verwenden ist.

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Tonaufzeichnungs- oder Tonwiedergabevorrichtung für Sprechmaschinen mit mechanischer Siebkette, dadurch gekennzeichnet, daß außer den gewöhnlich bei Schalldosen vorhandenen elastischen Teilen, insbesondere der nachgiebigen Schallnadel fSj) und dem zwischen der Membran (in*) und dem Trichteranfang (Zi₁) befindlichen Luftraum (s₇) noch andere, nachgiebige und an sich bei einzelnen Schalldosen bekannte Zwischenteile, insbesondere eine als Elastizität wirkende Einschnürung Cs₃1 des Nadelarms Ym₁), die nachgiebigen' Arme (s_:>) der den Nadelarm CwI₁) mit der Membran (tn₃) verbindenden Scheibe (nu) und die elastische Lagerung (s_b-1 der in bekannter Weise kolbenartig wirkenden Membran C/W₃), mit den dazugehörigen Massemeilen (/H₁, m», m_A) der Schalldose ohne zusätzliche Siebkettenglieder zu einer Siebkette so abgestimmt sind, daß Schallwellen innerhalb des wichtigsten Frequenzbereiches letwa 2 Y₂ Oktaven) frei übertragen werden und die einzelnen Abschnitte dieser Siebkette gleichmäßig kennzeichnende Wellenwider- g₀ stände für den ausgewählten Frequenzbereich haben, welche dem akustischen Strahlungswiderstand des Schalltrichters angepaßt sind.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen