DE3123098C2

DE3123098C2 - Membran für elektroakustische Wandlersysteme

Info

Publication number: DE3123098C2
Application number: DE19813123098
Authority: DE
Inventors: Martin 4600 Dortmund Stute
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1981-06-11
Filing date: 1981-06-11
Publication date: 1983-06-01
Also published as: DE3123098A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Membran für elektroakustische Wandlersysteme gemäß Oberbegriff des Patent-

anspruchs I,

Die Qualität eines elektroakustischer Wandlersystems ist als um so besser zu beurteilen, je genauer die Hüllkurve des akustischen Signals mit der Höllkurve des elektrischen Signals übereinstimmt.

Natürliche Schallquellen, wie z, B, Musikinstrumente, Stimmen und Geräusche, haben einen ausgesprochen impulsartigen Charakter,

Für eine originalgetreue Signalumwandlung natürlicher Schallquellen ist daher insbesondere das Ein- und Ausschwingverhalten (Impulsverhalten; Ausgleichsvorgänge) eines Wandlersystems von größter Bedeutung,

Herkömmliche Wandlersysteme sind als vorwiegend Masse-Feder-gehemmte Schwingungssysteme nicht in der Lage, impulsartige elektrische Signale in überzeugender Weise in entsprechende Luftdruckschwankungen umzuwandeln (Funkschau 1978, Heft 1, Seiten 21 bis 23, sowie Funkschau 1978, Heft 3, Seite 104 »Meßergebnisse« bis Seite 106).

Eine Membran gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1 ist bekannt aus der DE-PS 22 36 374 und DE-OS 25 00 397 sowie Funkschau 1978, Heft I₁ Seite 23/24 bzw. Funkschau 1978, Heft 3, Seite 106.

Diese Membran bzw. Wandlersysteme weisen ab einem bestimmten Frequenzbereich eine vorwiegende Widerstandshemmung auf und ermöglichen daher eine relativ impulsgenaue Signalumwandlung, die allerdings auf die Symmetrieachse durch die antreibende Schwingsptile sowie einen minimalen Bereich um die Symmetrieachse beschränkt ist.

Mit zunehmender Entfernung von der Symmetrieachse steigen die Anstiegs- und Abfallzeiten stark an. Weiterhin ergeben sich bei außermittigen Meßpunkten starke lineare Verzerrungen sowie Phasenverzerrungen.

So weist zum Beispiel die zur Zeit bekannte Konstruktion mit einem Schwingspulendurchmesser von 7 cm bei einer Frequenz von 12,5 kHz und einer Entfernung von 1 m von der Membran einen Schalldruckabfall von ca. 15 dB bei einem Meßwinkel von 12 Grad gegenüber der Symmetrieachse auf. Die Ursache für die starke Bündelung hoher Frequenzen liegt darin, daß die Wandler als Ringstrahler mit dem Durchmesser der antreibenden Schwingspule anzusehen sind. Demzufolge weisen die Wandlersysteme sehr ungünstige Schallabstrahlungseigenschaften bzw. Polardiagramme auf, so daß praktisch nur auf bzw. in einem kleinen Bereich um die Symmetrieachse eine relativ exakte Signalwandlung erfolgt. Die unter verschiedenen Winkeln abgestrahlten Wellenfronten weisen nichtlineare Frequenzgänge, Phasenverzerrungen und eine erhebliche Abflachung steilflankiger erster Wellenfronten auf.

Ein weiteres Problem der bekannten Membran besteht darin, daß die zum Membranzentrum laufenden erzwungenen Biegewellen, deren Wellenlänge insbesondere die Größenordnung des doppelten bzw. einfachen bzw. halben Schwingspulendurchmessers aufweist, stehende Wellen im Membranrnaterial innerhalb der Schwingspulenankopplung bilden, die mit zunehmender abzustrahlender Leistung zu erheblichen Verzerrungen führen. Die zur Zeit bekannte Konstruktion mit einem Schwingspulendurchmesser von 7 cm zeigt diese Erscheinungen mit besonderer Intensität im Bereich von 150 — 400 Hz, wodurch nur eine hinsichtlich Verzerrungsarmut geringe Abstrahlleistung möglich ist.

Um diese Resonanzen zu dämpfen, wird das Membranzentrum ortsfest gehalten, infolgedessen ein weiteres Problem darin besteht, daß durch den zur Tieftonreproduktion notwendigen Schwingspulenhub relativ große Zugspannungsänderungen des innerhalb der Schwingspulenankopplung angeordneten Membranbereichs bewirkt werden, die u, a, eine Ursache für starke Intermodulationsverzerrungen sind.

Die aufgezeigten Schwachstellen sind nicht nur meßtechnisch feststellbar, sondern insbesondere akustisch wahrnehmbar (Zeitschrift »Audio«, Heft Dezember 1978, Seite 66 bis 71, Zeitschrift »Stereoplay«, Heft September 1979, Seite 70 bis 72, Zeitschrift »Klangbild«, Heft Februar 1980, Seite 61 bis 64, Zeitschrift »Klangbild«, Heft April 1980, Seite 7: »Zusammenfassung«),

Dabei ist der Zusammenhang zwischen der Schallabstrahlungscharakteristik und einem dumpfen und matten Klang sowie zwischen den Resonanzerscheinungen und einem bei höheren Lautstärken Undefinierten und teilweise verfärbten Klangcharakter festzustellen.

Der ErEndung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Membran mit vorwiegender Wider ,jandshemmung bei vergleichsweise geringer elastischer Hemmung sowie geringer Trägheitshemmung zur Konstruktion von praktisch keinen mechanischen Kraftspeicher besitzenden elektroakustischen Wandlersystemen zu schaffen, die gegenüber dem Stand der Technik sowohl eine gleichmäßigere, einen wesentlich geringeren Bündelungsgrad insbesondere des oberen Tonfrequenzbereichs aufweisende Schallabstrahlung ermöglichen als auch höhere, weitgehend verzerrungsafme Schalldruckpegel erzeugen können.

Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich aus dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1.
Bei der Vielzahl von Ausgestaltungsmöglichkeiten im Sinne des Erfindungsgedankens ist es das Ziel jeder erfindungsgemäßen Ausgestaltung, daß der innere Membranteilbereich zu kolbenförmigen Schwingungen und der äußere Membranteilbereich zu gedämpften Biegeschwingungen angeregt wird.

Zweckmäßige Ausgestaltungen des Gegenstands dieses Anspruchs sind in den Unteransprüchen angegeben.

Ein äußerst bedeutungsvoller Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, daß mit zunehmender abzustrahlen-

« der Frequenz sowohl die für die Schallabstrahlung wirksame Fläche betragsmäßig abnimmt als auch — und dies ist von entscheidender Bedeutung — diese Fläche stets auf einen abgeschlossenen, in allen Punkten schallabstrahlenden Bereich konzentriert ist Die erfindungsgemäßen Membranen bzw. Wandlersysteme weisen daher ideale Eigenschaften zur Abstrahlung eines breiten Frequenzbandes mit günstigen Schallabstrahlungscharakteristiken avf, wie es z. B. bei Breitbandlautsprechern gefordert wird.

Der Stand der Technik ermöglicht zwar eine betragsmäßig frequenzabhängig schallstrahlende Fläche, jedoch bleibt die für die Schallabstrahlungscharakteristik wirksame geometrische Gestalt stets die eines Ringstrahlers von konstantem Durchmesser, wodurch die bekannten, äußerst ungünstigen Eigenschaften entstehen,

Demgegenüber findet bei den erfindungsgemäßen Membranen bzw. Wandlersystemen eine sehr vorteilhafte, frequenzabhängige Änderung der für die Schallabstrahlungscharakteristik wirksamen geometrischen Gestalt in der Weise statt, daß bei sehr hohen Frequenzen praktisch nur der kolbenförmig schwingende innere Membranteilbereich abstrahlt, während bei

kleineren Frequenzen ein in der Nähe des inneren Teilbereichs angeordneter Abschnitt des äußeren Teilbereichs mit zur Abstrahlung beiträgt und bei tiefen Frequenzen praktisch die gesamte Membran abstrahlungswifksarh ist.

Aufgrund dieser Eigenschaft ergibt sich ein weiterer Vorteil, daß die Schallabstrahlungscharakteristik insbesondere des oberen Tonfrequenzbereichs durch die Dimensionierung des inneren Teilbereichs in weiten Grenzen frei wählbar ist, ohne die übrigen Eigenschaften, wie z. B. möglicher Schalldruck und Verzerrungsarmut, deutlich zu verändern. Bei den bekannten Wandlersystemen ist dies nicht möglich, da der Durchmesser der Schwingspule zwecks Festlegung der im Membranmaterial innerhalb der Schwingspulenankopplung auftretenden Resonanzen in möglichst tiefliegende Frequenzbereiche stets eine gewisse Größe aufweisen muß, die im Zielkonflikt mit einer günstigen

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Ein weiterer wesentlicher Vorteil der Erfindung besteht darin, daß die obengenannten Resonanzerscheinungen, die in dem bekannten Wandlersystem durch die z. B. aus Schallabstrahiungsgründen zwangsläufig größenmäßig begrenzte, innerhalb der Schwingspulenankopplung angeordnete und zu in Richtung zum Membranzentrum laufenden erzwungenen Biegewellen angeregte viskoelastische Membranfläche bedingt sind, nicht auftreten. Im Vergleich zu Biegewellen, die zum Membranrand laufen, werden die zum Membranzentrum laufenden Biegewellen infolge der mit zunehmender Entfernung von der Anregungsstelle abnehmenden anzuregenden Fläche deutlich weniger gedämpft, worin die wichtigste Ursache für die schon bei relativ geringen Schalldruckpegeln auftretenden Resonanzerscheinungen des bekannten Wandlersystems zu sehen ist.

Demgegenüber werden bei den erfindungsgemäßen Membranen bzw. Wandlersystemen ausschließlich Biegev,ellen angeregt, die in Richtung zum Membranrand laufen, wobei der zu Biegewellen angeregte äußere Teilbereich größenmäßig weitgehend frei gestaltbar ist. Daher ermöglichen die erfindungsgemäßen Membranen bzw. Wandlersysteme insbesondere bei genügend großen äußeren Teilbereichen wesentlich höhere verzerrungsarme Schalldruckpegel als die bekannten Wandlersysteme.

Schließlich besteht ein weiterer großer Vorteil der Erfindung darin, daß bei genügend großen äußeren Teilbereichen aufgrund der im Vergleich zu dem bekannten Wandlersystem großen Abstände im viskoelastischen Material zwischen Antriebs- und Befestipungsstelle auch bei relativ großen Amplituden keine wesentlichen Zugspannungsänderungen auftreten.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher beschrieben.

Fig.! zeigt einen Schnitt durch ein erfindungsgemäßes Wandlersystem.

Fig.2 und 3 sind Teilschnittansichten von zwei Ausführungsbeispielen der in der Nähe der Antriebsstelle angeordneten erfindungsgemäßen Membranausgestaltung in Wandlersystemen gemäß F i g. 1.

Fig.4 zeigt einen Teilschnitt durch ein weiteres erfindungsgemäßes Wandlersystem.

Bei den in F i g. 1 bis 4 dargestellten Membranen bzw. Wandlersystemen ist vorgesehen, den äußeren Membranteilbereich 2 als Mehrschichtkörper auszubilden, der wenigstens eine viskoelastische Schicht 10 und wenigstens eine vergleichsweise dünne Schicht 9 aus einer Folie mit einem Elastizitätsmodul von mehr als 1000 N/mm² auf weist.

Beispielsweise ist der äußere Teilbareich 2 ein Dreischichtkörper aus einer mittleren viskoelastischen Schicht 10 und zwei vergleichsweise dünnen äußeren Schichten 9 aus oberflächendeformierter Folie.

In Wandlersystemen gemäß F i g. I wird die aus den beiden Membranteilbereichen 1, 2 bestehende Membran durch eine im Luftspalt des Magnetsystems 8 angeordnete und mittels eines Schwingspulenrings 5 an den inneren Teilbereich 1 angekoppelte Schwingspule 4 angetrieben. Die Membran wird am Umfang des äußeren Teilbereichs 2 in einem durch die am Magnetsystem 8 befestigten Streben 7 ortsfest gehaltenen Rahmen 3 hoher Körperschalldämpfung eingespannt. Der Rahmen 3 besteht beispielsweise aus einer festen Grundstruktur mit einer an der Einspannstelle angebrachten Schicht aus einem weichen Schaumstoff.

v_iCgCi/CnCniaiiS !Si ZWCCfCS CXSivtCr i'ünrüng uCr Schwingspule 4 im Luftspalt des Magnetsystems 8 eine Zentriermembran 6 vorgesehen, die vorzugsweise eine geringe Rückstellelastizität aufweist und an dem in das Magnetsystem 8 eingeführten Ende des Schwingspulenrings 5 sowie im Magnetsystem 8 befestigt ist.

Die Verwendung von Streben 7 und die Ausbildung einer hinter dem inneren Teilbereich 1 angeordneten Öffnung im Magnetsystem 8 verhindern geschlossene Lufträi,'.pe. Weiterhin sind zusätzliche, in der Fig. 1 nicht dargestellte Öffnungen im Magnetsystem 8 denkbar.

Die in F i g. 1 bis 3 dargestellten inneren Teilbereiche 1 werden durch Kombination aus einem Festkörper 11 und an diesem angebrachten Schichten — in F i g. 2 die viskoelastische Schicht 10 und die Folie 9; in F i g. 3 die Folie 9 — gebildet.

Dieser innere Teilbereich 1 wird beispielsweise als an einer Seite unebene Gestalt mit kreisförmigem Grundriß, dessen Dicke an verschiedenen Stellen unterschiedlich ist, wobei insbesondere eine Zunahme der Dicke zur Antriebsstelle hin vorgesehen ist, ausgebt Jet.

Obgleich der innere Teilbereich 1 des in F i g. I dargestellten Wandlersystems vorzugsweise rotationssymmetrisch geformt ist, besteht bei der Gestaltung des Membranumfangs bzw. des Rahmens 3 kein Vorrang für eine bestimmte Form. Es sind sowohl quadratisch als auch rechteckig oder kreisförmig ausgebildete Rahmen 3 vorteilhaft.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung zeigt Fig.4. Der innere Membranteilbereich 1 besteht aus einem in radialer Richtung aufgewickelten isolierten Draht 15, einem Festkörper 11 und den diese Anordnung überziehenden Folien 9 des äußeren Teilbereichs 2. Ferner sind zwecks Antrieb ortsfeste Magnete 16 vorgesehen. Es bieten sich grundsätzlich zwei Möglichkeiten zur Gestaltung der Magnete 16 und des inneren Teilbereichs 1. Zum einen sind die Magnete 16 rotationssymmetrisch mit einer senkrecht auf der Abstrahlebene und durch das Membranzentrum verlaufenden Rotationsachse denkbar, wobei der Draht 15 spiralenförmig aufgewickelt ist.

Eine andere Gestaltungsmöglichkeit besteht darin, die Magnete 16 stabförmig auszuführen und den inneren Teilbereich 1 rechteckig bzw. quadratisch mit einem in geeigneter Weise aufgewickelten Draht 15 auszubilden.

Die Einspannung des äußeren Teilbereichs 2 erfolgt wie in Wandlersystemen gemäß F i g. 1.

Der in Fig.2 bis 4 als Bestandteil des inneren Teilbereichs 1 dargestellte Festkörper 11 wird aus

leichtem, formsteifem Material gebildet. Dieses können außen geschlossene Hohlraumstrukturen, wie z. B. fester Polyurethanschaum, hartes aufgeschäumtes Polystyrol oder ähnliche Harz-Kunstharzschäume, u. U. mit

die Härte steigernden Beimengungen und dünnsten 5 Materialien sein.

Deckschichten eines Werkstoffs anderer Schalleitfähigkeit, oder Hohlraumstrukturen aus Metall/Leichtmetall oder ein steifer nichtgeschäumter Kunststoff hoher innerer Dämpfung oder eine Kombination dieser

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Membran für elektroakustische Wandlersysteme, die sich als Schwingungssystem durch eine vorwiegende Widerstandshemmung auszeichnet und deren Schallabstrahlungsseite im wesentlichen eben ist, die weiterhin sowohl einen zentral angeordneten inneren Teilbereich als auch einen flächenmaßig größeren, radial angeordneten und deutlich zur Schallabstrahlung beitragenden äußeren Teilbereich aufweist, der aus einem viskoelastischen, in der Anregungsrichtung eine geringe Rückstellelastizität sowie eine sehr hohe Eigendämpfung aufweisenden Material ausgebildet, an is seinen äußeren Randgebieten an einem ortsfesten Rahmen des Wandlersystems befestigt, an einer Obergangsstelle mit dem inneren Teilbereich verbunden und dort zu gedämpften Biegeschwingungen anregbar ist, die dort erzwungen werden, da-■durch !gekennzeichnet, daß der innere Teilbereich als leichter, starrer bzw. formsteifer kolbenstrahlerartiger Schwingkörper ausgebildet ist

2. Membran nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der äußere Teilbereich (2) aus einem Mehrschichtkörper besteht, der wenigstens eine Schicht (10) aus einem viskoelastischen Material mit einem innerhalb eines Temperaturbereichs von mehr als zehn Grad Celsius nahezu gleichbleibenden maximalen Dämpfungsfaktor und wenigstens eine Schicht (9) aus; einer Folie mit einem Elastizitätsmodul von mehr als 1000 N/mm² aufweist

3. Membran nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Umfang des äußeren Teilbereichs (2) kreisförmig ausgebildet ist

4. Membran nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Umfang des äußeren Teilbereichs (2) rechteckig bzw. quadratisch ausgebildet ist

5. Elektroakustisches Wandlersystem, enthaltend eine Membran nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der innere Teilbereich (1) durch elektromagnetische Kräfte angetrieben wird.

6. Wandlersystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß am inneren Teilbereich (1) eine Schwingspule (4) angekoppelt ist

7. Wandlersystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der innere Teilbereich (1) durch Kombination aus einem Festkörper (11) und einseitig angebrachten Schichten (9 bzw. 9 und 10) des äußeren Teilbereichs gebildet wird.

8. Wandlersystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwingspule (4) mittels eines Schwingspulenrings (5) an den Festkörper (11) gekoppelt ist.

9. Wandlersystem nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der innere Teilbereich (1) eine unebene Gestalt mit kreisförmigen Grundriß aufweist.

10. Wandlersystem nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke des inneren Teilbereichs (1) an verschiedenen Stellen unterschiedlich ist, wobei insbesondere eine Zunah- es me der Dicke zur Antriebsstelle hin vorgesehen ist.

11. Wandlersystem nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die radiale und axiale Mittenlage der Schwingspule (4) nur durch die Membran festgelegt wird,

12. Wandlersystem nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittenlage der Schwingspule (4) in radialer und axialer Richtung nicht nur durch die Membran, sondern auch durch eine/mehrere Zentriermembran/en (6) von vorzugsweise geringer Rückstellelastizität festgelegt wird,

13. Wandlersystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der innere Teilbereich (1) aus einem in radialer Richtung aufgewickelten isolierten Draht (15), der vorzugsweise einen rechteckigen Querschnitt aufweist, und einem Festkörper (11), mit den Folien (9) des äußeren Teilbereichs (2) überzogen, gebildet wird.

14. Wandlersystem nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der innere Teilbereich (1) flachzylinderartig gestaltet ist

15. Wandlersystem nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der innere Teilbereich (1) flachquaderartig gestaltet ist.

16. Wandlersystem nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Draht (15) spiralenförmig aufgewickelt ist

17. Wandlersystem nach Anspruch 13 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Draht (15) rechteckförmig aufgewickelt ist

18. Wandlersystem nach einem der Ansprüche 7 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß der Festkörper (11) aus einem Material außen geschlossener Hohlraumstruiiiuren, deren Substanz nur einen kleinen Bruchteil des Volumens ausmacht besteht

19. Wandlersystem nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß der Festkörper (11) aus hartem Harz-Kunstharzschaum mit die Härte steigernden Beimengungen und dünnsten Deckschichten eines Werkstoffs anderer Schalleitfähigkeit besteht

20. Wandlersystem nach einem der Ansprüche 7 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß der Festkörper (11) aus Metall bzw. Leichtmetali oder Hohlraumstrukturen aus Metall bzw. Leichtmetall, vorzugsweise mit beidseitig angebrachten Dämpfungsschichten, besteht.

21. Wandlersystem nach einem der Ansprüche 7 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß der Festkörper (11) aus einem nichtgeschäumten steifen Kunststoff hoher innerer Dämpfung besteht

22. Wandlersystem nach einem der Ansprüche 7 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß der Festkörper (11) aus einer Kombination von außen geschlossenen Hohlraumstrukturen und einem nichtgeschäumten steifen Kunststoff hoher innerer Dämpfung besteht.

23. Wandlersystem nach einem der Ansprüche 5 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß die den äußeren Teilbereich (2) befestigenden Stellen des ortsfesten Rahmens (3) eine hohe Körperschalldämpfung aufweisen.

24. Wandlersystem nach einem der Ansprüche 5 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß hinter der Membran durch Ausbildung von Öffnungen keine geschlossenen Lufträume vorgesehen sind.