DE3507708A1 - Kalottenlautsprecher - Google Patents

Description

Kalottenlautsprecher

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kalottenlautsprecher mit einer kalottenförmigen_f aus relativ steifem Material bestehenden Lautsprechermembran, sowie mit einem Schwingspulenkörper, der die Schwingspule trägt.

Wie in den Figuren 12 und 13 der beiliegenden Zeichnung dargestellt, besteht ein Kalottenlautsprecher im wesentlichen aus einem Ringmagneten II¹, einem Mittelpol 12', einer Frontplatte 13', einer Fußplatte 14', einer Membran 15', einer Schwingspule I¹, die auf einem Schwingspulenkörper la¹ angebracht ist, der mit dem äußeren Rand der Membran 15' verbunden in einem magnetfelddurchsetzten Spalt zwischen dem Mittelpol 12' und der Frontplatte 13' angeordnet ist, und aus einem die Membran 15 unterstützenden Tragring 5'. Die Schwingspule 1' wird mit Wechselstrom im Audio-Frequenzbereich gespeist, wodurch die Membran 15' in Schwingung versetzt wird und es zur Abstrahlung von Schallwellen kommt.

Die Membran 15' besteht in den meisten Fällen aus einem Hartmetall wie Duraluminium und hat eine kuppel- oder kalottenartige Form, wie in den Figuren 12 und 13 zu sehen ist. Eine derartige harte Membran weist in einem Frequenzbereich oberhalb dem einer Kolbenschwingung einen geringen mechanischen Verlust im Membranmaterial auf. Deshalb kommt es zur Interferenz von Schwingungsenergie, die

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vorn Rand der Membran abgeführt wird, mit der von der Membranmitte zurücklaufenden Schwingungsenergie, wodurch eine Schwingungsknoten-Linie in der Nähe des äußeren Randes der Membran gebildet wird. Da die Schwingungen der Membran an der Schwingungsknoten-Linie gegenphasig sind, ergibt sich in der Frequenzcharakteristik bei der Anti-Resonanzfrequenz ein Einbruch, der von Spitzen in höheren und niedrigeren Frequenzbereichen flankiert wird. Dies verschlechtert den Frequenzgang und das Impulsverhalten bis zu einer hörbaren Qualitätseinbufte.

Ein weiteres Beispiel eines Kalottenlautsprechers, der sogenannte Weich-Kalottenlautsprecher, verwendet für die Membran ein weiches Material mit hohen inneren Verlusten. Diese Art vori Membran ist zwar relativ frei von Resonanzen und Anti-Resonanzen, aber die Schwingungsenergie kann wegen der großen Masse der Membran nicht so einfach durch diese weitergeleitet werden. Daher hat dieser Lautsprechertyp deh Nachteil eines geringen Wirkungsgrades bei der Energieumwandlung.

Es stellt sich daher die Aufgabe, einen Kalottenlautsprecher der eingangs genannten Art mit einem sehr guten Frequenzgang und Wirkungsgrad zu schaffen.

Zur Lösung dieser Aufgabe weist der erf indungsgemäil-e Kalottenlautsprecher eine kalottenförmige Membran aus einem sehr steifen Material, einen Schwingspulenkörper, der die Schwingspule trägt und im

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Spulenkörper enthaltene Mittel zur abschnitts- bzw. teilweisen Veränderung der Resonanzbedingungen der Membran auf.

Die Maßnahme, Mittel zur abschnitts- bzw. teilweise Veränderung der Härte der Membran im oder am Spulenkörper vorzusehen, hat stellenweise Änderungen der Steifigkeit an den Rändern der Membran zur Folge. Deshalb erscheint bei der Anti-Resonanzfrequenz keine merkliche Schwingungsknotenlinie in der Membran und Spitzen und Einbrüche im Frequenzgang werden geglättet. Wie Figur 4 zeigt, ist der durch eine durchgehende Linie dargestellte Frequenzgang wesentlich gleichmäßiger und ebener als der durch eine punktierte Linie dargestellte Frequenzgang eines herkömmlichen Lautsprechers.

Da die aus einem harten Material bestehende Membran leichter ist als eine weiche Kalottenmembran, ist ihr Wirkungsgrad in der Energieumwandlung hoch, so dai" der erfindungsgemäfte Kalottenlautsprecher einen exzellenten, gegenüber dem Stand der Technik unerwarteten Frequenzgang aufweist. ;

Eine weitere Aufgabenstellung ist die Vereinfachung der Konstruktion der Mittel zur Veränderung der Schwingungsbedingungen, um eine Herstellung bei niedrigen Kosten und mit wirtschaftlichem Nutzen zu erlauben.

Zur Lösung dieser Aufgabe bestehen die Mittel zur Verhinderung der Schwingungsbedingungen aus Ausschnitten im oberen Bereich des

Schwingspulenkörpers,

Die Teile der Membran, die mit dem Körper verbunden sind, haben eine größere Steifigkeit, da der Körper dort als Versteifung für die Membran wirkt, während die den Ausschnitten im Körper gegenüberliegenden Teile der Membran freie Enden oder ähnliche Strukturen geringerer Steifigkeit bilden, die keine Verstärkung aufweisen. Als Ergebnis werden die Membranschwingungen abschnittsweise verändert, wodurch für den guten Frequenzgang gesorgt wird. Der Fortschritt liegt in der einfachen Konstruktion, bei der die Ausschnitte im Schwingspulenkörper liegen, was den Vorteil einer erheblichen Verringerung der Herstellungskosten bietet.

Bevorzugte Ausführungen des erfindungsgemäßen Kalottenlautsprechers werden im folgenden anhand einer Zeichnung näher erläutert, wobei weitere Vorteile der Erfindung ersichtlich werden. Es zeigen im einzelnen:

Figur 1 eine Seitenansicht in vertikalem Schnitt eines wesentlichen Teils eines Lautsprechers in einer ersten Ausführungsform der Erfindung,

Figur 2 eine perspektivische Explosionszeichnung einer Membran und eines Schwingspulenkörpers aus Figur 1,

Figur 3 eine Seitenansicht der Membran und des Schwingspulenkörpers

Figur 4 ein Diagramm des Frequenzganges des Lautsprechers in der ersten Ausführungsform,

Figur 5 eine perspektivische Explosionszeichnung eines wesentlichen Teils eines Lautsprechers in einer zweiten Ausführungsform ,der Erfindung,

Figur 6 eine Seitenansicht des wesentlichen Teils des Lautsprechers aus Figur 5,

Figur 7 ein Diagramm des Frequenzganges des Lautsprechers in der zweiten Ausführungsform,

Figur 8 eine Draufsicht auf einen wesentlichen Teil eines Lautsprechers in einer dritten Ausführungsform der Erfindung,

Figur 9 eine Seitenansicht, in Vertikalschnitt entlang der Linie A-B der Figur 8,

Figur 10 eine perspektivische Explosionszeichnung des Lautsprechers in der dritten Ausführungsform,

Figur 11 ein Diagramm des Frequenzganges des Lautsprechers in der dritten Ausführungsform,

Figur 12 eine Seitenansicht in Vertikalschnitt eines wesentlichen Teils eines bekannten Lautsprechers entsprechend dem Stand eier Technik und

Figur 13 eine perspektivische Ansicht des wesentlichen Teils dews bekannten Lautsprechers.

Wie Figur 1 zeigt/ weist ein Kalottenlautsprecher entsprechend einer ersten Ausführungsform der Erfindung folgendes auf: einen Ringmagneten 11, einen zentral im Ringmagneten 11 angeordneten Mittelpol 12, eine auf der Oberseite des Magneten 11 angebrachte Frontplatte 13, eine mit dem Mittelpol 12 einstückige und entlang der Unterseite des Magneten 11 angeordnete Fußplatte 14, eine kalottenförmige Duraluminium-Membran 15 und eine mit dem äuf.eren Rand der Membran 15 verbundene und in einem Spalt zwischen dem Mittelpol 12 und der Frontplatte 13 angeordnete Schwingspule 1. Die Membran 15 wird von einem Tragring 5 unterstützt. Die im Vorhergehenden beschriebene Anordnung an sich ist dieselbe wie die Anordnung bei dem bekannten Kalottenlautsprecher nach den Figuren 12 und 13. Der Lautsprecher in der ersten Ausführungsform unterscheidet sich von dem bekannten Lautsprecher dadurch, daß er im oberen Bereich des Schwingspulenkörpers la Auschnitte 2 aufweist, die als Mittel zur Änderung der Schwingungsfrequenz dienen.

Wie in den Figuren 2 und 3 genauer gezeigt, weist der Körper la fÜL die Schingspule 1 an zwei Stellen in seinem oberen Bereich

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Ausschnitte 2 auf« Die Ausschnitte 2 haben eine Breite d in der Größenordnung von 7 - 50 % der gesamten ümfangslänge des Körpers la. Die verbleibenden Randabschnitte 3 des Körpers la sind im Übergangsbereich 6 zwischen der Membran 15 und dem als Aufhängung für die Membran 15 wirkenden Tragring 5 mit diesen verbunden. Somit ist der- Schwingspulenkörper la im Bereich der Ausschnitte 2 nicht mit der Membran 15 verbunden.

Diese Konstruktion, bei der der Schwingspulenkörpet. la abschnittsweise mit der Membran verbunden ist, führt zu unterschiedlichen Schwindungen in der Mitte und am äußeren Rand der Membran 15. Damit wirken die Ausschnitte 2 als Mittel zur stellen- bzw. teilweise Veränderung der Schwingungen der Membran 15.

Die Ausschnitte 2 können natürlich auch nur an einer Stelle oder an mehr als zwei Stellen am Körper la angebracht werden. Die Breite d und die Tiefe der Ausschnitte 2 sind den Erfordernissen und Wünschen im Einzelfall entsprechend variabel.

Weiterhin können die Membran 15 und der Tragring 5 einstückig sein und aus einem Material bestehen oder auch aus zwei miteinander verbundenen Teilen aus unterschiedlichem Material bestehen.

Obwohl in den Figuren nicht im einzelnen gezeigt, kann auch die Verbindung zwischen der Membran 15 und dem Tragring 5 unterschiedlich sein; z. B. kann der Tragring 5 an seinem inneren Rand einen

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odei mehrere aufragende Teile aufweisen, an denen der äußere Rand der Membran angebracht ist. Auch können sowohl der äußere Rand der Membran 15 als auch der innere Rand des Tragringes 5 flache oder horizontale, aneinander haftende oder miteinander verbundene Teile aufweisen.

Wie Figuren 5 und 6 zeigen, bestehen bei der zweiten Ausführungsform der Erfindung die Mittel zur Veränderung der Schwingungen aus Ausschnitten 2 an zwei Stellen im oberen Bereich des Spulenkörpers la der Schwingspule 1. Die Ausschnitte 2 haben eine Breite d in der Größenordnung von 7 - 50 % des Umfangs des Körpers la. Die Ausschnitte 2 sind von Streifen bzw. Plättchen 7 verschlossen, die aus einem Material bestehen, das weicher ist als das des Körpers la. Der Körper la ist an seinem oberen Ende 3 ringsum im Übergangsbereich zwischen der Duraluminium-Membran und dem als Aufhängung wirkenden Tragring 5 mit diesen verbunden. Somit besteht im Bereich der Ausschnitte 2 eine weiche Verbindung des Körpers la mit der Membran 15.

Figur 7 zeigt ein Frequenzgang-Diagramm der beschriebenen Konstruktion (durchgehende Linie). Wie dort zu sehen ist, zeigt die Konstruktion gemäf. dieser Erfindung einen glatteren Frequenzgang als eine herkömmliche Konstruktion (punktierte Linie). Dies bedeutet eine deutlich verbesserte akustische Qualität. Speziell bewirkt die Anordnung der Streifen 7 eine Unterdrückung von AntiResonanzen im Bereich der Ausschnitte 2.

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Entsprechend den Figuren 8-10 besteht bei einer dritten Ausführungsform der Schwingspulenkörper la aus einem zylindrischen Körper aus einem leichten und sehr steifen Material wie Papier oder Gewebe mit einer metallischen oder anderen harten Aussteifung oder aus mit einem harten Füllstoff verstärkten Kunstharz, um hohe Beschleunigungskräfte mit einem guten Wirkungsgrad übertragen zu können. Der Körper la weist eine auf sein unteres Ende aufgewickelte Schwingspule und Fortsätze 21 an seinem oberen Ende auf. Die Fortsätze 21 haben eine gleiche Biegung wie die Membran 15 und weisen zwei Ausschnitte 22 auf. Wie aus den Figuren 8-10 zu ersehen, bestehen diese Fortsätze 21 aus Spulenkörper-Material und sind durch Einschneiden und Biegen erzeugt. Die Fortsätze 21 können aber auch auf andere geeignete Weise hergestellt bzw. angeformt werden.

Die Membran 15 besteht ebenso wie der Körper la aus einem leichten und sehr steifen Material, wie oben beschrieben, und besitzt einen geringeren Durchmesser als die Schwingspule 1. Die Membran 15 ist an den Fortsätzen 21 des Schingspulenkörpers la befestigt. Somit sind Membran 15 und Körper la über die Fortsätze 21 verbunden, wobei aber an den Ausschnitten 22 Zwischenräume 5' verbleiben. Hier wirken die Ausschnitte 22 zwischen den Fortsätzen 21 als Mittel zur Veränderung der Schwingungsfrequenz.

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Gute Testergebnisse wurden erreicht bei Zwischenraum-Tiefen d zwischen Körper 1 a und Membran 15 im Bereich von einem Minimalabstand zur Beibehaltung eines freien äußeren Membranrandes bis zu einem etwa dem halben Radius der Schwingspule 1 entsprechenden Abstand, und bei Breiten w der Ausschnitte 22 in der Größenordnung von 3 - 50 % des Umfanges des Spulenkörpers.

Figur 11 zeigt in einem Diagramm den Frequenzgang des Kalottenlautsprecher in der vorhergehend beschriebenen Ausführung im Vergleich zu dem eines herkömmlichen Lautsprechers. Tn der konkreten Ausgestaltung besteht die Membran aus Titan und hat einen Durchmesser von 60 mm, der Schwingspulendurchmesser beträgt 65 mm, die Breite w der Ausschnitte beträgt etwa 46 mm, die Zwischenraum-Tiefe d ist 2,5 mm und die inneren Ränder eines Gewebe-Tragringes wirken als ein visko-elastisches Medium. Der Frequenzgang dieses Kalottenlautsprechers ist in einer durchgehenden Linie dargestellt, der des herkömmlichen Lautsprechers in einer punktierten Linie.

Wie aus Figur 11 ersichtlich, erscheinen beim herkömmlichen Lautsprecher in der Umgebung von 5-10 kHz eine scharfe Spitze und ein Einbruch, die offenbar auf Resonanz und Anti-Resonanz beruhen. Bei dem Lautsprecher in der beschriebenen Ausführungsform sind diese Spitze und der Einbruch mit dem Resultat eines geglätteten Frequenzganges ausgemerzt. Somit ist es offensichtlich, daß die Konstruktion des Schwingungssystems entsprechend dieser Ausfüh-

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rungsforrn sehr wirkungsvoll für einen hervorragenden Frequenzgang des Kalottenlautsprechers ist.

Besonders ist noch zu erwähnen, daft dadurch, daß die gebogenen Fortsätze 21 flexibel, genauer visko-elastisch sind, die Beschleunigungskräfte vom Spulenkörper la bei hohen Frequenzen nicht zur Membran 15 weitergeführt werden. Somit wird, wie Figur 11 zeigt, eine unnötige Schallabstrahlung im Bereich von 13 kHz und höher unterbunden. Diese Grenzfrequenz kann durch Variation des Biegungsgrades der Fortsätze 21 und Auswahl einer passenden Flexibilität nach Wunsch festgelegt werden.

Im folgenden werden Vorteile aufgeführt, die bei Verwendung von Titan bzw. Titan-Legierung als Membranmaterial erreicht werden können. Eine Titan-Legierung hat einen höheren Elastizitäts-Modul (Young's modulus) als Titan selbst und ergibt deshalb eine höhere Membransteifigkeit. Diese wiederum erhöht die Partialschwingungsfrequenz zürn Bereich hoher Frequenzen oberhalb des Bereiches von Kolbenschwingungen (im Fall einer Ti-6 Al-4V-Legierung steigt die Zugfestigkeit etwa um 90 I).

Tm Fall von Titan mit nitrierten Oberflächen haben die Oberflächenschichten einen sehr hohen Elastizitäts-Modul (Young's modulus), was eine sehr steife Membran ergibt und damit den Bereich der Kolbenschwingung zum Bereich hoher Frequenzen erweitert. Weiterhin werden Partialresonanzen durch innere Verluste in den

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inneren Schichten der Membran vermindert, wodurch der Wiedergabe-Frequenz breit und flach wird.

Bei Verwendung von Titan-Legierung mit nitrierten Oberflächen wird die Membran noch steifer als in den beiden vorangehenden Fällen, wodurch der Wiedergabebereich zu hohen Frequenzen erweitert und der Frequenzgang flacher wird.

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Claims (9)

1. Patentansprüche ;

   Kalottenlautsprecher mit einer kalottenförmigen, aus relativ steifem Material bestehenden Lautsprechermembran, sowie mit einem Schwingspulenkörper, der die Schwingspule trägt, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwingspulenkörper (la) mit Mitteln ausgestattet ist, die die Resonanzbedingungen der Membran (15) teilweise bzw. abschnittsweise ändern.
2. 2. Kalottenlautsprecher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwingspulenkörper (la) mit Ausschnitten (2) im Bereich seines oberen Endes versehen ist.
3. 3. Kalottenlautsprecher nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, * daß die Ausschnitte (2) mit Streifen oder Plättchen (7) verschlossen sind.
4. 4. Kalottenlautsprecher nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (15) mit einem Tragring (5) versehen ist.
5. 5. Kalottenlautsprecher nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (15) aus einer Titan-Legierung besteht.
6. 6. Kalottenlautsprecher nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (15) aus Titan besteht.
7. 7. Kalottenlautsprecher nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daft die Membran (15) aus Titan-Legierung nitriert ist.
8. 8. Kalottenlautsprecher nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran, (15) aus Titan nitriert ist.
9. 9. Kalottenlautsprecher nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Streifen oder Plättchen (7) aus einem weicheren Material bestehen als der Schwingspulenkörper (la).