-
Die
Erfindung betrifft einen dynamischen Wandler, insbesondere einen
Kleinlautsprecher, wie in einem Mobiltelefon, Freisprecheinrichtungen,
etc. mit einer von der Kreisform abweichenden Form, insbesondere
mit einer Rechteckform, wobei dessen Membran einen zentralen, kreissymmetrischen
Bereich, Kuppe genannt, und einen rings um die Kuppe angeordneten,
Wulst genannten, Bereich aufweist. Der Grund für die Verwendung eines unrunden Wandlers
besteht darin, dass der in Mobiltelefonen und vielen anderen Geräten verfügbare Platz
oftmals in der Höhe
stark begrenzt, hingegen innerhalb der Hauptebene relativ geräumig ist,
kombiniert mit einer Rechtecksform. Der Wulst stellt die Verbindung
zwischen der Kuppe mit kreisförmiger
Peripherie und der jeweiligen Außenform her. Solche Formen
werden vermehrt gewünscht,
da damit die Membranfläche des
Wandlers vergrößert werden
kann, ohne dass zu große
Platzprobleme beim Einbau in Kauf genommen werden müssen.
-
Bei
tiefen Frequenzen, speziell bei Frequenzen unterhalb der unteren
Grenzfrequenz f1 weisen dynamische Wandler, insbesondere Kleinlautsprecher,
bei vorgegebener Größe bei hohen
Schalldrücken
große
Auslenkungen der Membran auf. Dadurch wird die Membran in geometrisch
nichtlinearen Auslenkungsbereichen betrieben und es entstehen akustische
Verzerrungen, z.B. in Form hoher nichtlinearer Klirrfaktoren bei
der Schallwandlung. Das heißt,
dass der Zusammenhang zwischen Schalldruck und elektrischem Signal
nicht mehr linear oder annähernd
linear ist. Die entstehenden Verzerrungen rühren hauptsächlich von zwei Quellen:
Nichtlinearer
Verlauf des Magnetfeldes im Luftspalt
Nichtlinearer Verlauf
der mechanischen Nachgiebigkeit der Membran.
-
Im
Folgenden wird nur die zweite Verzerrungsursache, nämlich die
nichtlineare Membrannachgiebigkeit, behandelt.
-
Die
vom Betreiber bevorzugte Schwingungsform der Membran ist der sogenannte
Kolbenmode, bei der die Kuppe der Membran, der zentrumsnahe Teil, ähnlich einem
starren Kolben schwingt und die Membran im wesentlichen nur an den
Randbereichen, den Wülsten,
verformt wird. Die dieser Schwingungsform zugeordnete Eigenfrequenz
ist die untere Grenzfrequenz f1 des Übertragungsbereiches. Durch geeignete
Wahl des Membranmaterials, der Membrandicke und der Membranform
kann f1 bei der Konstruktion des Wandlers festgelegt werden. Insbesondere
kann durch das in der
AT
403 751 B , entsprechend der
US 6,185,809 A , beschriebene Verfahren die
Materialstärke
und damit f1 gezielt beeinflusst werden.
-
Die
Federwirkung des mechanischen Feder-Masse-Systems der Membran samt
Spule entsteht durch die elastische Verformung des Wulstes, die
Deformation der Kuppe spielt für
die vorliegende Erfindung nur eine vernachlässigbare Rolle.
-
Im
Stand der Technik gibt es aus den oben genannten Gründen quadratische
Membrangeometrien. Bei diesen sind die Ecken zwischen den Wülsten freigestellt,
d.h., die Eckbereiche weisen kein Material auf. Dies ist für Einbausituationen
mit niedriger akustischer Impedanz möglich. Diese Membrangeometrie
ist z.B. im AKG K1000 Kopfhörer
realisiert. Beim dichten Einbau des Wandlers ist der akustische Kurzschluss,
der durch die Freistellung (die Löcher) der Ecken entsteht, unvermeidbar.
Dadurch ist die Wiedergabe tiefer Frequenzen nicht möglich. Um den
akustischen Kurzschlusses zu vermeiden, muss die Membran an den
Ecken durchgezogen werden. Das führt
wiederum zur ungewollten Versteifung der Membrane und damit zu einer
höheren
Membranresonanzfrequenz f1. Das bedeutet, dass man zwar die negative
Auswirkung des akustischen Kurzschlusses vermieden hat, dafür aber die
Ausweitung des Übertragungsfrequenzbereiches
zu tiefen Frequenzen hin auf Grund der Versteifung der Membrane überkompensiert.
Daher eignet sich diese Maßnahme
zur Erweiterung des Frequenzverlaufes bei eckigen, insbesondere
rechteckigen, Wandlern nicht.
-
Bei
rechteckigen Membranen oder anderen polygonalen Membranen besteht
also das Problem, dass durch die Ecken eine zusätzliche versteifende Wirkung
eintritt. Diese Wirkung kann dadurch erklärt werden, dass die Auf- und
Abbewegung der Membran tangentiale Kräfte im Bereich der Ecken ausüben und
somit tangentiale Spannungen verursachen, ähnlich wie dies innerhalb der
ringförmigen
Wülste der
kreisrunden Membran der Fall ist. Die geraden Wülste des oben erwähnten AKG
K1000, die untereinander nicht verbunden sind bewegen sich ohne
solche Kräfte
oder Spannungen.
-
Stand
der Technik ist weiters das in der oben angegebenen Druckschrift
geoffenbarte Herstellungsverfahren für Membranen, bei dem die Membranstärke im Wulstbereich
niedrig gehalten und damit eine tiefe Eigenfrequenz erzielt wird,
während
die Membranstärke
in den zentrumsnahen Bereichen, wie z.B. in der Kuppe, stärker gehalten wird,
um Partialschwingungen der Kuppe, bei denen sich deren Form merklich ändert, bei
höheren
Frequenzen zu vermeiden.
-
Die
Erfindung hat somit die Aufgabe, die Resonanzfrequenz von rechteckigen
oder anderen eckigen Membranen zu senken, ohne dabei die zu akustischen
Kurzschlüssen
führenden Öffnungen
in der Membrane vorsehen zu müssen.
-
Die
erfindungsgemäße Lösung des
Problems besteht darin, dass die Membran des dynamischen Wandlers
in jedem Eckbereich angrenzende Wülste in Balgform aufweist,
wobei die Kanten des Balges in einer Ebene liegen, die zumindest
annähernd
normal auf die Mittelebene der Membran und senkrecht zur äußeren Berandung
des Wulstes verlaufen. Durch diese Maßnahme ist die Membrane im Eckbereich
in ihrer Hauptbewegungsrichtung äußerst biegeweich,
wodurch die tangentialen Spannungen innerhalb der Membran beträchtlich
verringert werden, und es wird daher keine Anhebung der Grenzfrequenz
f1 bewirkt. Da die Membrane ohne Öffnung (Freistellung) im Eckbereich
ausgeführt
werden kann, ist auch der akustische Kurzschluss vermieden.
-
Die
Erfindung wird in der folgenden Beschreibung anhand der angefügten Zeichnung
detailliert erläutert,
wobei
-
1 ein
Viertel einer erfindungsgemäßen Ausführung und
-
2 ein
Beispiel des Einflusses des Verhältnisses
der Stärke
des Wulstes zur Stärke
eines Zwischenwulstes auf den nichtlinearen Klirrfaktor des Wandlers
zeigt.
-
1 zeigt
eine erfindungsgemäße Membran 1 mit
Rechtecksform. Nur ein Viertel der gesamten rechteckigen Membran
ist in der Figur dargestellt. Das Eck 6 ist in diesem Beispiel
mit drei Stegen 7 und zwei Rillen 8 versehen,
um den Abrollvorgang zu erleichtern. Die Membran 1 ist
in An eines Gitters bzw. Netzes dargestellt, ähnlich den Zeichnungen eines Finite
Elemente Programms. Der zentrale Teil bzw. Kuppe 2 der
Membran 1 ist von einer kreisförmigen Rille 4 umgeben,
an die eine Spule 3 befestigt, in den meisten Fällen geklebt
wird. An der äußeren Peripherie,
die in der dargestellten Ausführungsform
rechteckige Form aufweist und mit einem Kleberand 11 versehen
ist, ist ein Wulst 5 parallel zur Peripherie vorgesehen.
Die Breite der vier Wülste
ist konstant und bei allen vieren gleich groß, in der gezeigten Ausführungsform
sind die Wülste 5 weder
eben noch halbkreisförmig,
sondern weisen einen bogenförmigen Querschnitt
auf.
-
Im
Eckbereich 6, der nicht die Form eines richtigen Eckes
aufweist, sondern abgerundet ist, wie mit dem Bezugszeichen 12 angegeben,
würde ein solcher
Querschnitt der Wülste
zu einer sehr harten und steifen Membran mit allen in der Einleitung
der Beschreibung erwähnten
Nachteilen führen.
Daher werden gemäß der Erfindung
balgähnliche
Strukturen 7, 8 im Eckbereich 6 der Membran 1 vorgesehen. Die
balg-ähnliche
Struktur weist Vorsprünge 7 und Rillen 8,
deren Kämme
bzw. Böden
sich zur Peripherie in ungefähr
senkrechter Richtung erstrecken. In der gezeigten Ausführungsform
laufen diese Richtungen ungefähr
radial von einem theoretischen Mittelpunkt zur Peripherie, welche
in der gezeigten Ausführungsform
die Form eines Viertelkreises aufweist.
-
Diese
Maßnahmen
lassen einen Bereich zwischen der inneren Grenze des Wulstes 5 und
der äußeren Begrenzung
der Rille 4 übrig;
dieser Bereich wird durch einen oder mehrere Zwischenwülste 9 abgedeckt. 1 zeigt
eine Ausführungsform
mit einem Zwischenwulst, der an seinem kleinsten Querschnitt 10,
am „linken" Ende der 1,
verschwindet. Es ist selbstverständlich
möglich,
einen durchgehenden Zwischenwulst in diesem Bereich vorzusehen, ähnlich (aber
schmäler)
wie an der Längsseite 13. Andererseits
ist es möglich,
mehr als einen Zwischenwulst in radialer Richtung vorzusehen.
-
Mögliche Abweichungen,
Variationen und Ergänzungen
werden in der folgenden Beschreibung angeführt.
-
Die
Membran 1 hat mindestens zwei, bevorzugt vier, bzw. eine
andere Anzahl von Wülsten,
die der Anzahl von Kanten entspricht, wobei die Wulsthöhe zwischen
null (komplett flacher Wulst) und bevorzugt der halben Wulstbreite
(z.B. halbkreisförmiger oder
elliptischer Wulstquerschnitt) liegen kann. Der Wulst 5 fungiert
bei der Auf- und Abbewegung der Membran 1 als mechanische
Feder eines Feder-Masse-Systems, wobei Spule + Membran die Masse
bilden und der Wulst die Feder. Im Folgenden werden nur die Teile
des Feder-Masse-Systems betrachtet, die seine Steifigkeit bestimmen.
-
Eine
Variante der Erfindung sieht vor, dass an den Wülsten, bevorzugt in dem Bereich,
in dem sie an die Kuppe 2 grenzen, Eintiefungen 14 vorgesehen
sind, die den Abrollvorgang (das Biegen der Membran) in diesem Bereich
erleichtern.
-
Die
Membran besitzt, wie oben ausgeführt, eine
runde oder annähernd
runde Kuppe, die bevorzugt so ausgebildet ist, dass zwischen Kuppe
und zumindest zweien der Wülste
ein sogenannter Zwischenwulst entsteht. Am Kuppenumfang ist im Allgemeinen
die Tauchspule befestigt, über
welche die Kraftübertragung
erfolgt.
-
Die
Peripherie der Membran 1 ist bevorzugt quadratisch oder
rechteckförmig
ausgebildet, doch sind auch andere Vielecke als Form des Randes möglich, wie
z.B. Dreieck, Fünfeck,
Sechseck, etc. Bevorzugte Form ist die von regelmäßigen Vielecken.
-
Für spezielle
Einbausituationen sind jedoch auch Formen unregelmäßiger Vielecke
wie z.B. Trapez, gleichschenkeliges Dreieck etc. denkbar. Im Folgenden
wird die Ausführung
mit Rechteckform beschrieben. In Kenntnis der Erfindung ist es für den Fachmann
auf dem Gebiet der elektroakustischen Wandler leicht möglich, analoge
Ausführungen
für die
anderen oben erwähnten
Vieleckformen zu schaffen.
-
Bei
rechteckigen Wandlern liegt das Seitenverhältnis von längerer zu kürzerer Rechteckseite bevorzugt
zwischen 1 und 2, kann jedoch auch höhere Werte, z.B. 5 oder größer, annehmen.
Bei praktischen Anwendungen liegt die Länge der längeren Rechteckkante zumeist
im Bereich zwischen 7 mm und 70 mm, bevorzugt etwa im Bereich von
20 mm. Die sich dadurch ergebende Größe ist für Kleinlautsprecher im Mobiltelefonbereich
und für
sogenannte PDAs (Personal Digital Assistents) gut geeignet. Durch
die rechteckförmige
Außenform
kann der in Mobiltelefonen vorhandene Platz optimal genutzt werden.
-
Zwischen
der Innenseite der in Draufsicht rechteckigen Wülste 5 und der in
Draufsicht kreisförmigen
Kuppe 2 ergeben sich in den Zwickeln und gegebenenfalls
umlaufend zwei oder mehr Zwischenwülste 9. Die Höhe der Zwischenwülste 9 kann
zwischen 0 und einem Maximalwert liegen, der der Hälfte der
kürzeren
Rechteckseite entspricht. Der Zwischenwulst 9 wirkt als
zusätzliche
Feder in dem oben erwähnten
Feder-Masse-System
bei der Auf- und Abbewegung der Membran 1.
-
Die
Ecken 6 zwischen den Wülsten 5 sind
mit Stegen 7 und/oder Rillen 8 (Balg) versehen,
die den Abrollvorgang erleichtern und damit die mechanische Nachgiebigkeit
der Membran erhöhen.
Entlang der Außenkante
der Wülste
und der Ecken ist die Membran, beispielsweise mittels Kleberand 11,
fest eingespannt.
-
Das
Verhältnis
der Materialdicken von Zwischenwulst 9 und Wulst 5 wird – wie unten
beschrieben – erfindungsgemäß an die
Geometrie angepasst. Das Verhältnis
von Zwischenwulstdicke/Wulstdicke liegt bevorzugt im Bereich zwischen
eins und zwei und kann durch das in der angegebenen Druckschrift beschriebene
Verfahren hergestellt werden. Die Membrandicke im Wulst bestimmt
maßgeblich
die Eigenfrequenz des oben erwähnten
Feder-Masse-Systems. Typische Werte für die Materialdicken selbst liegen – je nach
gewünschter
Eigenfrequenz – im
Bereich 15 μm
bis 80 μm,
für größere Wandler
und/oder höhere
Eigenfrequenzen sind auch größere Materialdicken
möglich.
-
Für den Wulst
und den Zwischenwulst werden üblicherweise
Makrofol- oder Polykarbonatfolien verwendet. Auch Verbundmaterialien,
wie z.B. Polykarbonat mit Polyurethan sind möglich. In diesem Fall bewirkt
die Polyurethanfolie eine mechanische Dämpfung, während die Polykarbonatfolie
die notwendige Steifigkeit der Membran bewirkt. Eine Variante besteht
darin, dass die Verbundfolie an den Ecken so ausgeführt ist,
dass dort nur der Polyurethananteil bestehen bleibt, um die Nachgiebigkeit
zu erhöhen.
-
Bei
erfindungsgemäß geformten
Membranen beruht die Federwirkung nicht mehr auf der Deformation
des Wulstes allein, sondern auf dem Zusammenwirken der Verformung
von Wulst und Zwischenwulst. Zur Veranschaulichung kann man sich vorstellen,
dass die beiden Komponenten (Wulst und Zwischenwulst) zwei Federn
in Serie darstellen. Dazu stelle man sich vor, dass an die Spule
eine statische oder harmonische Kraft angelegt wird, welche die
Membran auslenkt. Im Fall einer harmonischen Kraft wird eine Frequenz
unterhalb der Resonanzfrequenz gewählt. In diesem Frequenzbereich
ist das Feder-Masse-System durch die Federeigenschaften bestimmt.
-
Durch
geeignete Wahl der Membrandicke und/oder geeignete Wahl einer gleichmäßigen Änderung
der Membrandicke in den Bereichen des Wulstes und des Zwischenwulstes
sowie durch Wahl der Krümmung,
insbesondere der Krümmungsradien dieser
beiden Teile, kann das Verformungsverhalten der beiden Teile derart
beeinflusst werden, dass die Verformung möglichst gleichmäßig vom
Rand zur Mitte hin zunimmt, d.h. dass sowohl Wulst als auch Zwischenwulst
je einen Teil der Verformung aufnehmen. Diese Deformationen können entweder
mittels numerischer Simulation durch ein Finite Elemente Programm
dargestellt werden oder durch Messungen eines real existierenden
Wandlers mit einem bildgebenden, auf Interferometerbasis arbeitenden Laservibrometer.
-
Die Änderung
der Dicke entweder stufenförmig
oder gleichmäßig kann
mit den Methoden und Vorrichtungen erreicht werden, die in den oben
erwähnten
und aufgenommenen Druckschriften offenbart sind.
-
Durch
die gleichmäßige Verteilung
der Verformung auf mehrere Teile der Membran wird die mechanische
Nachgiebigkeit linearisiert. Durch die Linearisierung der mechanischen
Nachgiebigkeit werden die daraus resultierenden akustischen Verzerrungen, wie
z.B. der Klirrfaktor, die Intermodulationsverzerrungen etc. speziell
im hohen Auslenkungsbereich minimiert.
-
Bei
vorgegebener Geometrie eines Rechteckwandlers kann durch Variation
des Verhältnisses von
Zwischenwulstdicke/Wulstdicke unter der Randbedingung konstanter
Eigenfrequenz ein Minimum im erwähnten
Klirrfaktor erzielt werden. Das entsprechende Dickenverhältnis sollte
beim Bau des Wandlers eingehalten werden.
-
2 zeigt
als Beispiel die berechneten Klirrfaktoren eines Rechteckwandlers
bei gegebenem Schalldruck als Funktion des Verhältnisses von Zwischenwulstdicke
zu Wulstdicke. Das Dickenverhältnis
von Zwischenwulstdicke/Wulstdicke wurde im Bereich zwischen Eins
und Zwei variiert. Deutlich ist ein Minimum der Verzerrungen bei
einem Dickenverhältnis
von 1,6 zu erkennen. Die Wulstdicke wurde in allen in 2 dargestellten
Fällen
so gewählt,
dass sie dieselbe Eigenfrequenz aufweisen.
-
Die
Erfindung kann in vielen Details abgewandelt werden und ist nicht
auf die in dieser Anmeldung beschriebenen und dargestellten Ausführungsformen
beschränkt.
Der Balg kann verschiedene Formen aufweisen, von stark gerundet
bis zu relativ scharfen Kanten und Rillen. Die Zwischenwülste, die tatsächlich verantwortlich
sind für
den Wechsel der inneren, kreisförmigen
Form zu den inneren Kanten der Wülste,
können
verschiedene Formen annehmen, können über ihren
Bereich in der Dicke variieren und können auch mit balgähnlichen
Strukturen in ihren Eckbereichen versehen sein. Der zentrale Bereich
oder Kuppe kann eine von der in der Zeichnung gezeigten Krümmung verschiedene
Krümmung
aufweisen, die Spule kann mit der Peripherie der Kuppe auf viele,
dem Fachmann bekannte Arten verbunden werden, die von der Erfindung
nicht berührt
werden. Dasselbe trifft für
die Form der Membran im Bereich, in dem die Spule befestigt ist,
zu.
-
Ein
Merkmal der Erfindung besteht darin, dass die Membran den nicht
kreisförmigen
Bereich ohne Öffnung
oder Leck schließt
und dass die Eckbereiche der Membran eine Geometrie aufweisen, die sie
weich und empfindlich gegenüber
Deformationen macht.