EP0232760A2

EP0232760A2 - Breitbandlautsprecher mit in Teilflächen für verschiedene frequenzbereiche aufgeteilter Membranfläche

Info

Publication number: EP0232760A2
Application number: EP87100806A
Authority: EP
Inventors: Peter Dipl.-Ing. Pfleiderer
Original assignee: Individual
Current assignee: Pfleiderer Peter Dipl-Ing
Priority date: 1986-02-05
Filing date: 1987-01-21
Publication date: 1987-08-19
Anticipated expiration: 2007-01-21
Also published as: US4821330A; JPS6310900A; ES2022158B3; DE3769162D1; EP0232760B1; KR950011498B1; KR870008485A; CN1012316B; CN87100528A; DE3603537A1; DE3603537C2; EP0232760A3

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Breitbandlautsprecher bei dem die Gesamtmembran in einen inneren und einen äusseren Membranteil aufgeteilt ist. Der innere Membranteil besteht vorzugsweise aus einer kalottenförmigen Abdekkung des Schwingspulenträgers. Der äussere Membranteil kann als Konus- oder NAWI-Membran oder als Formkörper ausgebildet sein, wobei der Formkörper eine wenigstens angenähert ebene Frontfläche besitzt und seine hintere Begrenzungsfläche die Form einer Konus- oder NAWI-Membran aufweist. Der äussere Membranteil ist mit dem Schwingspulenträger mittels einer frequenzabhängig nachgiebigen Verbindung mit hoher Dämpfung verbunden, die bei hohen Tonfrequenzen den äusseren Membranteil praktisch vom Schwingspulenträger entkoppelt, bei tieven Tonfrequenzen jedoch wie eine starre Verbindung wirkt.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Lautsprecher nach dem Oberbegriff des Patenanspruchs 1.
Alle elektrodynamischen Lautsprecher sind mechanische Schwingsysteme, die durch Eigenwerte wie Federkonstante, Masse und Dämpfung gekennzeichnet sind, und deren Membranen durch den Strom eines Verstärkers z.B. mit Hilfe einer Schwingspule zu erzwungenen Schwingungen angeregt werden.
Die sich aus diesem Konstruktionsprinzip des elektrodynamischen Wandlers ergebenden prinzipiellen Fehler im Amplituden- und Phasenfrequenzgang können mit dem Verfahren und der Schaltungsanordnung zur Entzerrung von elektrodynamischen, insbesondere
elektroakustischen Wandlern nach DE - PS 34 18 047 verhindert werden.
Während die Entzerrung bei Mehrwegelautsprechern im Tief-, Mittel- und Hochtonbereich meßtechnisch und auch nach dem subjektiven Empfinden hervorragende Ergebnisse liefert, treten bei Breitbandlautsprechern im Hochtonbereich wegen der für die Tiefton- oder Baßabstrahlung benötigten Größe der Membranfläche unerwünschte Richtwirkungen in der Schallabstrahlung ein, außerdem wird die Wiedergabequalität durch einen hohen Anteil an Verzerrungen beeinträchtigt.
Besonders ungünstig für eine breitbandige Schallabstrahlung sind die ebenen, flachen Membranscheiben, bei denen die Krafteinleitung senkrecht zur Membranfläche erfolgt (Fig 1a). Hier werden neben den durch die Schwingspule eingeleiteten Grundschwingungen durch die Art und Weise der Krafteinleitung gleichzeitig auch Biegeschwingungen erzeugt, deren Energie sich weitgehend in der ganzen Membranfläche verteilt und neben der Grundschwingung immer auch einen Teil Störschall zur Gesamtschallabstrahlung beifügt. Die Normalkraftbeanspruchung ebener Membranen ist meistens sehr klein (Fig 1b, 1c).
Ist die ebene, flache Breitbandmembran leicht und steif z.B. als Waben- oder Schaumstoffscheibe ausgebildet, erhält man die bereits erwähnte ausgeprägte Richtwirkung in den Höhen. Außerdem entstehen höherfrequente Biegeschwingungen nicht nur bei höherfrequenter Grundschwingung in der ganzen Membranflächex Sie entstehen auch bei niederfrequenter Grundschwingung und verfälschen den Klang durch Interferenzen.
Aber auch wenn die ebene, flache Breitbandmembran "weich" (viskoelastisch) ausgebildet ist, z.B. nach DE - PS 31 23 098, wandern bei tieffrequenter Anregung im Membranzentrum höherfrequente Biegewellen bis zur Randeinspannung und teilweise von dort wieder zurück, und sogar bei hochfrequenter Anregung im Zentrum lassen sich die Biegewellen nicht allein auf das Zentrum begrenzen. Sie verteilen sich, vor allem bei höheren Pegeln mit größeren Schwingspulenauslenkungen, auf eine größere Fläche in der weichen Membran, so daß sich auch hier eine akustische Richtwirkung, die zudem noch pegelabhängig ist, nicht ausschließen läßt. Bei sogenannten "weichen" Membranen ergibt sich für Breitbandübertragungssysteme als zusätzlicher Nachteil, daß praktisch keine tiefen Baßtöne übertragen werden können. Für einen wirksamen, tiefen Baß müßten sehr große Schwingspulenauslenkungen erfolgen, die neben erhöhten mechanischen Verzerrungen auch wieder unkontrollierte Membranbiegeschwingungen ergeben würden.
Bei den heute in der Praxis am weitesten verbreiteten Papier-oder Pappmembranen wird durch die räumliche, konusförmige Schalenform bei dynamischer Schwingungsbelastung die Biegemomentbeanspruchung geringer, dafür steigt die Normalkraftbeanspruchung an (Fig 2a,b,c). Bei den ebenfalls bekannten räumlichen, gewölbt geformten sogenannten NAWI Membranen (NAWI = nicht abwickelbar) verstärkt sich diese Tendenz nochmals, so daß hier die Biegemomentbeanspruchung noch kleiner und die _Normalkraftbeanspruchung noch größer werden (Fig 3a,b,c).
Trotzdem gilt auch hier wie bei allen bekannten Breitbandlautsprechern, daß das gesamte Membrangewicht mit dem großen Luftpolster davor der Membranbewegung als Massenträgheit entgegensteht, weil bei allen Frequenzen die Gesamtmembranfläche zum Schwingen erregt werden muß.
Wenn die Membrane leicht und steif genug ist, um die Baßwiedergabe ohne allzu große Verformungen zu ermöglichen, führt dies bei den höheren Frequenzen immer dazu, daß die Gesamtfläche im Vielfachen der anregenden Wellenlänge aufgeteilt schwingt. Bei den Höhen entstehen dann auf der ganzen Membranfläche Partialschwingungen (Biegeschwingungen), mit dem Nachteil von Interferenzen und der Richtwirkung. Die bekannten Breitbandlautsprecher mit ebener Membranform (nach Fig 1a) und konusförmiger Membranform (nach Fig 2a) sind hier noch schlechter als die mit NAWI Membranform nach Fig 3a. Für die genannten Membrantypen ist die Schalldruckverteilung über die Membranoberfläche im Baß, in den Mitten und in den Höhen sowie die Partialschwingungen in Fig 9 dargestellt sind.
Da bei den bekannten Breitbandlautsprechern nach Fig 2a und Fig 3a der Übergang von der dünnen Membrane auf den ebenfalls dünnen Schwingspulenträger fest und starr ist, werden hier bei dynamischer Beanspruchung immer auch Biegemomente (^:Partia_lsch4vinqunnen) auf den Schwingspulenträger und die über der Schwingspule sitzende Kalotte geleitet. Die auf den Schwingspulenträger geleiteten Biegeschwingungen verzerren bereits die entstehende mechanische Membrangrundschwingung, die ihrerseits dann nochmals von in der Membranfläche zusätzlich entstehenden Partialschwingungen überlagert wird. Insgesamt entsteht ein hoher Anteil an technischen Verzerrungen im Übertragungssignal.
Bekannter Stand der Technik ist es, die Schallabstrahlung der verschiedenen Frequenzbereiche mit Hilfe von Frequenzweichen auf unterschiedlich große Membranflächen zu verteilen, um die Richtwirkung im jeweiligen Frequenzbereich zu vermeiden. Die Einzelsysteme für spezielle Frequenzbereiche werden außerdem vom Gewicht und der Steifigkeit her so optimiert, daß auch die Partialschwingungen klein bleiben im Verhältnis zur Anregungsfrequenz. Solche Einzelsysteme für den Baß-, Mittel- und Hochtonbereich haben durch die Randeinspannung immer eine gewisse freie Verschiebbarkeit mit einer zugehörigen Wegbegrenzung, die im Hochtonbereich kleine, im Mitteltonbereich größere und für den Baßbereich noch größere Membranauslenkungen zuläßt.
Durch die DE-OS 27 51 700 oder DE-PS 29 27 848 ist es außerdem bekannt, eine ebene oder leicht gewölbte Flächenmembran mit nur einem Schwingspulenantrieb in mehrere konzentrische Membranteilflächen für die verschiedenen Frequenzbereiche aufzuteilen. Es ist jedoch nicht möglich, damit die vorstehend beschriebenen akustischen sowie technischen Nachteile zu umgehen.
Werden Frequenzgemische übertragen, überlagern sich die hochfrequenten Biegeschwingungen der großflächigen Randzone mit den hochfrequenten Grundschwingungen des kleinen Zentrums und ergeben Interferenzen. Auch wenn die Biegemomente in der äußeren Randzone durch konstruktive Maßnahmen klein gehalten werden, in ebenen, flachen Membranen können sie nicht verhindert werden. Durch die große Abstrahlfläche wird ein erheblicher Schallpegel erreicht, und es entsteht doch wieder die akustische Richtwirkung in der Höhenabstrahlung sowie ein hoher Anteil an technischen Verzerrungen im übertragenen Signal.
Je flacher eine Membrane ausgeführt wird, umso biegesteifer muß sie sein. Wenn sie flach ausgeführt wird mit Gelenken, wird sie instabil. Im äußeren Randteil der innen und außen auf Federn gelagerten steifen Scheibe treten deshalb bei dynamischer Beanspruchung zudem noch Kippschwingungen auf, die zusätzliche unkontrollierbare Klangverfälschungen und Verzerrungen erzeugen (Fig 4a,b).
Werden Dämpfungsglieder mittig an den einzelnen Scheiben in der Weise angeordnet, wie in der DE-PS 29 27 848 vorgeschlagen wird, so steigt durch die Krafteinleitung am Rand der Scheibe die Kippneigung noch an (Fig 5a,b).
Wird, wie in der gleichen Anmeldung vorgeschlagen, für kleine Auslenkungen z.B. im Hochtonbereich eine freie Beweglichkeit zugelassen, die nach einer gewissen Wegstrecke endet, ergeben sich bei größeren Auslenkungen innerhalb der Bewegung Stoßbelastungen (vergl. Abb. 4 der DE-PS 29 27 848).
Auch ein Lautsprechersystem, bei dem wie bei der Europäischer Anmeldung 0 039 740 der Pappkonus auch für tiefe Frequenzer beweglich mit der Schwingspule verbunden wird und der Antrieb der Membrane im Wesentlichen über ein Luftpolster erfolgt, das über der Schwingspulenabdeckung angeordnet ist, kann nicht die gewünschte Wirkung erzielen. Es ist nur geeignet, die Hochtonabstrahlung z.B. bei einem Baßlautsprecher zu verhindern, ist prinzipiell aber kein Breitbandübertragungssystem.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Breitbandübertragungssystem zu schaffen, das im Tieftonbereich weitgehend ohne Biegeschwingungen kolbenförmig als Ganzes und im Hochtonbereich weitgehend nur über dem Zentrum der kalottenförmigen Schwingspulenabdeckung schwingt bei gleichzeitiger Reduzierung der Partialschwingungen im äußeren Membranteil, in der Kalotte und in dem Schwingspulenträger.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs gelöst.
Für solch ein Lautsprechersystem wird keine Frequenzweiche mehr benötigt, die selbst oft schon Verfälschungen des elektrischen Signals erzeugt.
Während sich bei Mehrwegsystemen in Mehrwegelautsprecherboxen Klangverfärbungen ergeben, da sich wegen der räumlichen Trennung der Einzellautsprecher bei einer Veränderung der Hörerposition vor allem in vertikaler Richtung andere Winkel für die Überlagerung der hohen Töne mit den Bässen ergeben, entsteht mit dem erfindungsgemäßen Breitbandlautsprecher ein von der Position des Hörers zum Lautsprecher unabhängiges Klangbild.
Die erfindungsgemäße Verbindung des mit einer kalottenförmigen Abdeckung versehenen Schwingspulenträgers mit dem äußeren Membranteil wirkt wie ein Gelenk, das bei hohen Frequenzen kleine gegenseitige Verschiebungen zuläßt (Fig 8a), aber bei tiefen Frequenzen praktisch starr ist (Fig 8c). Bei mittleren Frequenzen ergibt sich ein frequenzabhängiger fließender Übergang zwischen den beiden Extremwerten.
Dadurch wird erreicht, daß bei hohen Frequenzen nur das kleine Zentrum der Gesamtmembranfläche, die Kalotte, ohne den Nachteil der akustischen Richtwirkung Schall abstrahlt, der äußere Membranteil schwingt nicht mit. Bei tiefen Frequenzen schwingt die Gesamtmembran aus innerem und äußerem Teil gleichartig und kolbenförmig.
Mit Hilfe der vorgeschlagenen Verbindung zwischen dem Schwingspulenträger und dem äußeren als Konus- oder NAWI-Membran ausgebildeten Membranteil wird im ganzen zu übertragenden Frequenzbereich nicht nur die Übertragung von Partialschwingungen erzeugenden Biegemomenten aus dem äußeren Membranbereich in den Schwingungsspulenträger und in die Kalotte, sondern schon ihre Entstehung verhindert. Daraus ergibt sich eine ganz erhebliche Reduzierung von Verzerrungen der Wiedergabe bei elektrodynamischen Breitbandlautsprechern.
Es ist noch zu erwähnen, daß der erfindungsgemäße Breitbandlautsprecher mit Hilfe aller gängigen Fertigungseinrichtungen leicht herstellbar ist.
Auch die Vorteile der Lautsprecherentzerrung nach DE-PS 34 18 047 werden in Verbindung mit dem von der Frequenz abhängenden wirksamen Massesystem des erfindungsgemäßen Breitbandlautsprechers deutlich.
Im folgenden wird die Erfindung anhand schematischer Zeichnungen und eines konkreten Ausführungsbeispiels für einen Breitbandlautsprecher näher beschrieben.

Fig 1a zeigt den schematischen Aufbau eines bekannten Flachmembranwandlers,
Fig 1b das statische System und die Belastung,
Fig 1c die Beanspruchungsart.
Fig 2a zeigt den schematischen Aufbau eines bekannten Wandlers mit konusförmiger Membran,
Fig 2b das statische System und die Belastung,
Fig 2c die Beanspruchungsart.
Fig 3a zeigt den schematischen Aufbau eines bekannten Wandlers mit NAWI Membran,
Fig 3b das statische System und die Belastung,
Fig 3c die Beanspruchungsart.
Fig 4a zeigt einen Breitbandlautsprecher nach DE-OS 27 51 700,
Fig 4b das statische System, die Belastung, die Verformung und die Beanspruchungsart.
Fig 5a zeigt einen Breitbandlautsprecher nach DE-PS 29 27 848,
Fig 5b das statische System, die Belastung, die Verformung und die Beanspruchungsart.
Fig 7a zeigt den schematischen Aufbau des erfindungsgemäßen Breitbandlautsprechers mit Konusmembrane,
Fig 7b zeigt den schematischen Aufbau des erfindungsgemäßen Breitbandlautsprechers mit NAWI Membrane,
Fig 7c zeigt den schematischen Aufbau des erfindungsgemäßen Breitbandlautsprechers mit konusförmigem Formteil,
Fig 7d zeigt den schematischen Aufbau des erfindungsgemäßen Breitbandlautsprechers mit räumlich gewölbtem Formteil.
Fig 8a zeigt das statische System des erfindungsgemäßen Breitbandlautsprechers in der Ausführung mit NAWI Membran bei Hochtonbelastung,
Fig 8b die Beanspruchungsart bei Hochtonbelastung,
Fig 8c zeigt das statische System des erfindungsgemäßen Breitbandlautsprechers in der Ausführung mit NAWI Membran bei Tieftonbelastung,
Fig 8d die Beanspruchungsart bei Tieftonbelastung.
Fig 9 zeigt schematisch die Schalldruckverteilung an der Membranoberfläche über den Querschnitt des Membrandurchmessers bei einem bekannten Wandler nach Fig 3a bei tiefen, mittleren und hohen Frequenzen. In dieser Kurve sind die Größe und die Verteilung der Grundschwingung als ausgezogene Linie dargestellt, die Maxima und Minima der Partialschwingungen als gestrichelte Linie.
Fig 10 zeigt schematisch die Schalldruckverteilung an der Membranoberfläche über den Querschnitt des Membrandurchmessers bei dem erfindungsgemäßen Wandler nach Fig 7b bei tiefen, mittleren und hohen Frequenzen. In dieser Kurve sind die Größe und die Verteilung der Grundschwingung als ausgezogene Linie dargestellt, die Maxima und Minima der Partialschwingungen als gestrichelte Linie.
Fig 11 zeigt den mittig und 30 Grad außermittig gemessenen Frequenzgang an einem bekannten Breitbandlautsprecher nach Fig 3a.
Fig 12 zeigt den mittig und 30 Grad außermittig gemessenen Frequenzgang eines erfindungsgemäßen Breitbandlautsprechers, der im übrigen wie der dem Kurvenverlauf nach Fig 11 zugrundeliegende Lautsprecher aufgebaut ist.
Fig 13 zeigt schematisch den mittig und 30 Grad außermittig gemessenen Frequenzgang eines erfindungsgemäßen Wandlers nach Fig 7b in Verbindung mit der elektronischen Entzerrung nach DE-PS 34 18 047.8.
Fig 14 zeigt schematisch die mittig gemessenen Frequenzgänge an zwei erfindungsgemäßen Wandlern nach Fig 7b mit gleichen Außendurchmessern, aber einmal mit Schwingspulendurchmesser 19 mm und einmal mit Schwingspulendurchmesser 25 mm und der entsprechenden Abdeckkalotte.
Fig 15 zeigt, wie sich im Hochtonbereich die erfindungsgemäße Verbindung zwischen äußerem Membranteil und Schwingspulenträger verformt.
Fig 16 zeigt verschiedene Ausführungen a bis k der erfindungsgemäßen Verbindung zwischen dem äußeren Membranteil und dem Schwingspulenträger.

In den Figuren sind gleiche bzw. einander entsprechende, an sich bekannte Elemente oder Größen mit gleichen Bezugszeichen versehen. Diese Bezeichnungen bedeuten:

1 Schwingspulenträger, 2 Abdeckung des Schwingspulentägers vorzugsweise in Kalottenform, 3 NAWI Membranform, 4 Konusmembranform, 5 Randsicke, 7 elektrische Zuleitung zur Schwingspule, 8 Polplatte, 9 Schwingspule, 10 Magnet, 11 Lautsprecherkorb, 12 Zentrierspinne, 13 räumlich gewölbtes Formteil, 14 räumlich konusförmiges Formteil, P durch die Schwingspule und den Erregerstrom erzeugte Kraft auf den Schwingspulenträger, p der Bewegung entgegengerichtete Massenträgheit, F federnde Einspannung, N Normalkraft in Querschnittsrichtung, Q Querkraft senkrecht zur Querschnittsrichtung, M Biegemoment senkrecht zur Querschnittsrichtung, SD Schwingungsdämpfungselement, V Verschieblichkeit über Verformung, D äußerer _Membrandurchmesser, H räumliche Bauhöhe des äußeren Membranteils.

In den Figuren 7a und 7b sind zwei Hälften von Lautsprechern jeweils im Schnitt durch die Symmetrieachse schematisch dargestellt, welche die erfindungsgemäße Verbindung 6 zwischen dem Schwingspulenträger 1 und dem äußeren Membranteil 3 bzw. 4 aufweisen. Dabei besteht der äußere Membranteil 4 nach Fig 7a aus einer Konusmembrane und der äußere Membranteil 3 nach Fig 7b aus einer NAWI-Membrane. Das Magnetsystem, der Schwingspulenträger mit Schwingspule, Kalotte und Zentrierspinne sowie der Lautsprecherkorb sind in konventioneller Weise ausgebildet und bedürfen keiner weiteren Erwähnung.
Das Verbindungs- oder Koppelelement 6 zwischen dem durch die Kalotte 2 abgedeckten Schwingspulenträger 1 und dem äußeren Membranteil 3 bzw. 4 besteht aus einem elastischen Material mit hoher innerer Reibung. Spezielle Ausführungsbeispiele werden noch anhand der Figuren 16 vorgestellt. Hohe Tonfrequenzen, die nur über die Kalotte abgestrahlt werden, werden praktisch überhaupt nicht auf den äußeren Membranteil übertragen und können dort folglich auch keine Partialschwingungen auslösen. Sollten jedoch bei extremer dynamischer Belastung trotzdem Partialschwingungen angeregt werden, dann wirkt die innere Reibung des Verbindungselements 6 als Dämpfung für diese Schwingungen. Das.Verbindungselement 6 wirkt aber auch als Dämpfung für Biegeschwingungen im Schwingspulenträger 1 und in der Kalotte 2.
Bei tiefen Frequenzen im Baßbereich verhält sich das Verbindungselement 6 wie eine starre Verbindung zwischen dem Schwingspulenträger 1 und dem äußeren Membranteil 3' bzw. 4. Die niederfrequenten Schwingungen werden daher voll vom Schwingspulenträger 1 auf den äußeren Membranteil 3 bzw. 4 übertragen, ohne Biegemomente zu erzeugen.
Die erfindungsgemäße Verbindung des Schwingspulenträgers mit dem äußeren Membranteil wirkt wie ein Gelenk, das bei hohen Frequenzen kleine Verschiebungen zuläßt (Fig 8a), aber bei tiefen Frequenzen unverschieblich ist (Fig 8c).. Bei mittleren Frequenzen ergibt sich ein frequenzabhängiger, fließender Übergang zwischen beiden Extremzuständen.
Analog zu den Darstellungen in den Figuren 7a und 7b zeigen die Figuren 7c und 7d als weitere Ausführungsbeispiele der Erfindung zwei Hälften von Breitbandlautsprechern im Schnitt. Die Ausführungsformen nach Fig 7c und Fig 7d weisen einen vergleichsweise langen Schwingspulenträger 1 auf, dessen Übergang in die abschließende Kalotte 2 schon beinahe die durch die Randsicke 5 aufgespannte Ebene erreicht. Entsprechend verlängert ist auch das Verbindungselement 6. Der durch den äußeren Umfang des Verbindungselements, die Membran und die genannte Ebene begrenzte Raum ist durch einen Formkörper 13 bzw. 14 ausgefüllt, der aus einem leichten, aber möglichst steifen Material wie beispielsweise aufgeschäumtem Polystyrol oder einer Wabenkonstruktion besteht.
Wenn man mit einem kleinen Ohrsonden Elektret Mikrofon an der Oberfläche der schwingenden Membrane entlangfährt, kann man sehr schnell und genau das Schwingungsverhalten der Gesamtmembran sowie innerhalb der schwingenden Membran die Verteilung der Maxima und Minima der Partialschwingungen darstellen.
Dies ist in Fig 9 für einen bekannten Wandler nach Fig 3a dargestellt, und man kann sehen, daß sich nicht nur bei den tiefen, sondern auch bei den mittleren und hohen Frequenzen die Schallabstrahlung über die ganze Fläche verteilt und die Partialschwingungen (durch Biegemomente) außerdem einen hohen Anteil an der Schallabstrahlung haben.
In Fig 10 ist diese Schalldruckverteilung für einen erfindungsgemäßen Wandler mit NAWI Membrane dargestellt, und es ergibt sich nicht nur bei den tiefen, mittleren und hohen Frequenzen die richtige, der Frequenz entsprechende Abstrahlfläche, die die unerwünschten akustischen Richtwirkungen vermeidet, auch die Partialschwingungen sind über die gesamte Membranfläche stark reduziert. Sinngemäß gilt das auch für die anderen Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Breitbandlautsprechers nach Fig 7a,c,d.
Durch die erfindungsgemäße Verbindung zwischen Schwingspulenträger und dem äußeren Membranteil werden ausschließlich Normalkräfte in den äußeren Membranteil eingeleitet. Das Membranmaterial selbst kann durch den Elastizitätsmodul sowie durch die innere Dämpfung Normalkräfte gut verarbeiten.
Außerdem sind frequenzabhängige Normalkraftbelastungen innerhalb des Membranmaterials bedeutungslos, während Biegeschwingungen in der Membran beträchtlich zur akustischen Schallabstrahlung beitragen und das Signal verfälschen.
Im Gegensatz zu ebenen, flachen Breitbandmembranen, die von Anfang an auf Biegung beansprucht werden und, durch den Elastizitätsmodul des Materials und das Trägheitsmoment des Querschnitts bedingt, immer Biegeschwingungen zulassen müssen, werden bei der erfindungsgemäßen Verbindung nur Normalkräfte in den Querschnitt des äußeren Membranteils eingeleitet, die zudem nur bis zu dem Punkt wirksam werden, wo die eingeleitete Energie durch Wärme vernichtet ist.
Durch die trichterförmige Ausbildung des äußeren Membranteils (dargestellt in Fig 8a und Fig 8c) als Konus- oder NAWI-Membran mit der Bauhöhe H vom unteren Übergang in den Schwingspulenträger und den oberen Übergang über die Sicke in den Lautsprecherkorb wird ein auf Kippen unempfindliches räumliches Schalen- oder Formtragwerk erhalten, im Gegensatz zur ebenen, flachen Breitbandmembran nach Fig 4a,b und Fig 5a,b mit geringer Bauhöhe und großer Kippneigung der Membranteile.
Auch bei den üblichen Frequenzgangmessungen 1 m vor dem Lautsprecher in Achse und 30 Grad außermittig lassen sich die Verbesserungen durch die erfindungsgemäße Verbindung der Membranteile aufzeigen.
Während sich bei einem konventionellen Lautsprecher nach Fig 3a der Schalldruck mittig und außermittig deutlich in den Höhen unterscheidet (Fig 11), verschwindet dieser Unterschied bei einem Lautsprecher, der bei sonst gleicher Ausführung die ertindungsgemäße Verbindung zwischen dem Schwingspulenträger und dem äußeren Membr_dnteil aufweist (Fig 12).
Zwar wird der Schalldruck in den Höhen durch diese Maßnahme in der Achse geringer, was man bei oberflächlicher Betrachtung als einen geringeren Wirkungsgrad bezeichnen könnte, doch bei genauerer Untersuchung kann nachgewiesen werden , daß damit nur die Partialschwingungen im äußeren Membranteil keinen Anteil mehr zur Schallabstrahlung beitragen können, wodurch die technische Übertragungsqualität zunimmt und durch die begrenzte Flächenabstrahlung im Hochtonbereich die Richtwirkung verschwindet. Wenn der partialschwingungsfreie, verminderte Pegel in Höhen durch vermehrte elektrische Leistungszuführung wieder ausgeglichen wird, steigt auch der außermittige Pegel mit auf das richtige Maß, und man bekommt obendrein noch die räumlich richtige Verteilung der akustischen Schallenergie.
In Fig 14 wird gezeigt, wie auch durch konstruktive Maßnahmen wie die Flächenveränderungen der direkt auf der Schwingspule sitzenden kalottenförmigen Abdeckung im Verhältnis zu einem gleichbleibenden Gesamtmembrandurchmesser der Frequenzgang beeinflußt werden kann.
Während die größere Kalotte im unteren Hochtonbereich lauter und im oberen Hochtonbereich leiser ist und schon wieder etwas bündelt, ist die kleinere Kalotte im unteren Hochtonbereich leiser, aber im oberen Hochtonbereich lauter und bündelt auch weniger.
Die Breite und Dicke der erfindungsgemäßen frequenzabhängig nachgiebigen Verbindung wirkt im Hochtonbereich als Randeinspannung V für Kalotte und Schwingspulenträger sowie im Frequenzbereich darunter als frequenzabhängiger Übertrager von Schwingungen auf den äußeren Membranteil. Zwischen einer großen Dicke der Verbindung, was einer weichen Kalotteneinspannung entspricht, die erst bei ganz tiefen Frequenzen zu einer starren Verbindung mit dem äußeren Membranteil wird, und einer kleinen Dicke der Verbindung, was einer relativ harten Kalotteneinspannung entspricht, die schon bei mittleren Frequenzen zu einer festen Verbindung mit dem äußeren Membranteil führt, ist ein Kompromiß anzustreben. Auch bei gleicher Dicke, aber größerer Breite in der Ausführung der Verbindung zwischen Kalotte und dem äußeren Membranteil verändern sich die Übertragungseigenschaften entsprechend.
Aber auch die Eigenschaften als Dämpfer für die Partialschwingungen in der Kalotte, in dem äußeren Membranteil und in dem Schwingspulenträger hängen von der Breite und der Dicke der erfindungsgemäßen Verbindung ab. Auch eine eventuelle Vordehnung des Materials kann berücksichtigt werden.
Wenn die erfindungsgemäße Verbindung zwischen dem Schwingspulenträger und dem äußeren Membranteil rein elastisch ausgeführt werden würde, würden sich von der Frequenz abhängige Schwingungszustände ergeben, in denen die beiden Membranteile je nach Massenverteilung einmal in gleicher Phase, aber auch gegenphasig zueinander schwingen könnten.
Um dies zu vermeiden, muß die Verbindung so gestaltet werden, daß sie nur im Hochtonbereich nachgiebig ist und auch nur kleine Auslenkungen der beiden Membranteile ohne freie Verschieblichkeit V gegeneinander zuläßt. Bei niedrigeren Frequenzen muß die Verbindung ohne Verschieblichkeit sein. Dies kann durch die Wahl der Materialien und die Ausführungsform der Verbindung erreicht werden.
Auch eine elektronischen Entzerrung nach dem DE-PS 34 18 047 kann zu der erwünschten Wirkungsweise der Verbindung einen Beitrag leisten. Die z.B. im Hochtonbereich erhöhte elektrische Leistungszuführung kann die für die kleinen Auslenkungen V erforderliche Verformungsenergie liefern.
Diese Energie wird durch die Konstruktionsform der erfindungsgemäßen Verbindung aber nicht in den äußeren Membranteil geleitet, sondern innerhalb der Verbindung aufgearbeitet, in Wärme umgesetzt. Diese erhöhte Energiezuführung fällt im Mitteltonbereich bereits stark ab und ist im Baßbereich nicht mehr wirksam.
Alle konstruktiven Maßnahmen wie das Verändern der Steifigkeit der elastischen Randeinspannung des äußeren Membranteils am Lautsprecherkorb, der erfindungsgemäßen Verbindung zwischen dem äußeren Membranteil und dem Schwingspulenträger, die Gesamtsteifigkeit des äußeren Membranteils sowie seines Gewichts stellen konstruktive Mittel zur Entzerrung des Breitbandlautsprechers dar, die soweit wie möglich genutzt werden sollten, um einen linearen Frequenzgang zu erzielen.
Die erfindungsgemäße Verbindung soll überwiegend Normalkräfte aus dem Schwingspulenträger als Normalkräfte in den äußeren Membranteil einleiten. Für die erfindungsgemäße Verbindung wirken die Normalkräfte aus dem Schwingspulenträger als Querkraftbeanspruchung. Diese Beanspruchung auf Scherfestigkeit (Fig 15) ist langzeitbeständiger als eine Beanspruchung auf Zug und Druck.
Vorzugsweise soll eine Verbindung mit rechteckigem Querschnitt Verwendung finden, die entweder direkt am Schwingspulenträger befestigt wird oder an einer wärmeisolierenden Schicht, die ihrerseits wieder auf dem wärmeleitenden Schwingspulenträger festgemacht ist. Die Verbindung kann zusätzlich auch an dem äußeren Membranteil festgeklebt oder sogar aufvulkanisiert werden. Die Fig 16 zeigt eine Reihe von Möglichkeiten für die Ausbildung des Verbindungselements 6.
Eine Alternative ist, die Verbindung über dem Schwingspulenträger schon stark vorgedehnt aufzubringen, um Resonanzen durch den Anpreßdruck noch wirksamer zu verhindern. Es ist auch möglich, über den unteren Rand des äußeren Membranteils ein elastisches Band zu spannen, um die Membran an die erfindungsgemäße Verbindung zu drücken (Fig 16).
Auch andere Ausführungen statt rechteckiger Querschnitte sind möglich, z.B. runde oder ovale Querschnitte oder eine Nut und Feder-Ausführung. Die Verbindung kann in einem Stück oder in zwei getrennten Teilstücken ausgebildet werden, wobei die getrennten Teilstücke auch für unterschiedliche Kennwerte wie z.B. optimale Normalkraftübertragung und optimale Schwingungsdämpfung ausgebildet sein können. Die Verbindung kann aufgeklebt oder auch nur aufgezogen sein. Ebenso können nachgiebig bleibende Klebemassen zur Herstellung der erfindungsgemäßen Verbindung benutzt werden.
Als Material für die erfindungsgemäße Verbindung können Gummi, Neoprene, PVC, Silikon oder ähnliche Elastomere Verwendung finden. Die elastischen und die dämpfenden Eigenschaften der Elastomere werden in ihrem Grundverhalten durch die Molekülstruktur vorgegeben, sie können aber durch den Grad der Vernetzung der Moleküle und durch die Art und Menge der Füll- und Verstärkungsstoffe zusätzlich noch weiter optimiert werden. Gut geeignet wegen ihrer hohen Dämpfung sind unter anderen z.B. Epichlorhydrinkautschuk (ECO), Polynorborenkautschuk (PNR), Polyakrylatkautschuk (ACM) oder auch Butylkautschuk (IIR). Mittlere Vernetzungsgrade der Molekülketten haben sich als vorteilhaft erwiesen.
Gute Füll- und Verstärkungsstoffe zur Dämpfung, die auch in weiten Temperaturbereichen ein gleiches physikalisches Verhalten gewährleisten sind z.B. Graphit oder Quarzmehl.
Der Einsatz von Mischprodukten mit teilweise elastischem, teilweise plastischem Material mit oder ohne Armierung durch Fasern ist ebenso möglich wie die Verwendung von Schläuchen mit plastisch verformbarem Inhalt. Auch Balsaholz oder Schaumstoffe haben die Eigenschaft, hochfrequente Schwingungen gut zu absorbieren und tieffrequente Schwingungen ohne Verluste weiterzuleiten. Es kann Material Verwendung finden, das in allen drei Achsen gleiche, aber auch unterschiedliche Kennwerte für Dehnung, Steifigkeit, Verformbarkeit und Dämpfung hat.
Die Verbindung des Schwingspulenträgers mit der kalottenförmigen Abdeckung ist- fest und starr auszubilden, die Kalotte selbst vorzugsweise aus Metall zur besseren Wärmeableitung. Der Kleber zwischen Kalotte und Schwingspulenträger ist ebenfalls vorzugsweise gut wärmeleitend.
Der äußere Membranteil kann am Außenrand rund oder oval sein, der Übergang zum Schwingspulenträger am Innenrand ist aber rund.

Claims

1. _Breitbandlautsprecher mit in Teilflächen für verschiedene Frequenzbereiche aufgeteilter Membranfläche, bei dem der innere Membranteil aus einer mit dem Schwingspulenträger fest verbundenen Schwingspulenabdeckung besteht und der äußere Membranteil über eine frequenzabhängig nachgiebige Verbindung mit dem inneren Membranteil gekoppelt ist, wobei die Elastizität der Verbindung so gewählt ist, daß bei hohen Tonfrequenzen der äußere Membranteil zumindest annähernd in Ruhe bleibt, während bei tiefen Tonfrequenzen die frequenzabhängig nachgiebige Verbindung den äußeren Membranteil mindestens nahezu fest mit dem inneren Membranteil verbindet und bei mittleren Tonfrequenzen ein stetiger Übergang erfolgt, dadurch gekennzeichnet ,

- daß der äußere Membranteil (3, 4, 13, 14) über die frequenzabhängig nachgiebige Verbindung (6) am Schwingspulenträger (1) befestigt ist und das Material der Verbindung (6) neben elastischen auch schwingungsdämpfende Eigenschaften, d.h. eine innere Reibung aufweist und

- daß der äußere Membranteil (3, 4, 13,14) als Konusmembran (4), als NAWI-Membran (3) oder als vorne ebener Formkörper (13, 14) ausgebildet ist, dessen hintere Begrenzung die Form einer Konus- oder NAWI-Membran aufweist, wobei der äußere Membranteil (3, 4, 13, 14) im Verhältnis zum Durchmesser eine gewisse Mindesthöhe H besitzt, die sicherstellt, daß der äußere Membranteil (3, 4, 13, 14) als räumliches Schalentragwerk oder als räumliches Formteil nicht auf Biegemomente oder Kippen, sondern auf Normalkraft beansprucht wird.

2. Breitbandlautsprecher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Schwingspulenabdeckung (2) kalottenförmig ausgebildet ist.

3. Breitbandlautsprecher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß die frequenzabhängig nachgiebige Verbindung (6) aus einem homogenen Material besteht.

4. Breitbandlautsprecher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die frequenzabhängig nachgiebige Verbindung (6) aus verschiedenen Materialen mit unterschiedlichen Eigenschaften besteht.

₅. Breitbandlautsprecher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die frequenzabhängig nachgiebige Verbindung (6) in den drei räumlichen Achsen unterschiedliche Kennwerte besitzt.

6. Breitbandlautsprecher nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch- gekennzeichnet, daß die frequenzabhängig nachgiebige Verbindung (6) auf dem Schwingspulenträger (1) unter Vorspannung aufgebracht ist.

7. Breitbandlautsprecher nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die frequenzabhängig nachgiebige Verbindung (6) durch den äußeren Membranteil (3,4,13,14) an den Schwingspulenträger (1) angepreßt wird.