AT406106B

AT406106B - Lautsprechersystem mit konstantem gehäuse-innendruck und wandler für dieses system

Info

Publication number: AT406106B
Application number: AT0025493A
Authority: AT
Inventors: Maximilian Dipl I Hobelsberger
Original assignee: Maximilian Dipl I Hobelsberger
Priority date: 1992-02-15
Filing date: 1993-02-12
Publication date: 2000-02-25
Also published as: GB9302581D0; ATA25493A; GB2264208A; DE4304164A1; DE4304164C2; GB2264208B; US5629987A

Description

AT 406 106 B

Lautsprechersystem mit konstantem Gehäuse - Innendruck und Wandler für dieses System.

Stand der Technik.

Es sind Lautsprechersysteme mit geschlossenen Gehäusen bekannt ( z.B. Patentanmeldung EP 91905477.5, Hobelsberger), bei denen der Gasdruck innerhalb des geschlossenen Gehäuses mittels einer Regelung konstant gehalten wird. Dazu wird innerhalb des Gehäuses eine Trennwand eingefugt, und in diese Trennwand ein weiterer elektrodynamischer Wandler angeordnet. Dieser Wandler beeinflußt mit seiner Membran den Gasdruck des Innenvolumens.

Der Gasdruck wird mittels Drucksensoren gemessen. Das Ausgangssignal der Sensoren wird einem Regler zugeführt. Dieser Kreis regelt den Innendruck in dem geschlossenen Lautsprechergehäuse. Der Druck wird mit Piezosensoren, mit kapazitiven oder elektrodynamischen Wandlern gemessen, die innerhalb des Gehäuses angeordnet sind.

In dem beschriebenen System wirkt sich der räumliche Abstand zwischen der druckerzeugenden Membran und dem Sensor nachteilig aus. Die Meßverzögerungen, die der Laufzeit von Druckwellen und der Distanz zwischen der Membran und dem Sensor entsprechen, erhöhen die Schwingneigung des Kreises und verursachen Verzerrungen. Zudem besteht die große Wahrscheinlichkeit, daß der Drucksensor von Gehäusevibrationen beeinflußt wird und sich wiederum Schwingungen, die über die Gehäusewände weitergeleitet und rückgekoppelt werden, einstellen. Der konstruktive Aufwand, der zu einer befriedigenden Anordnung von Wandler und Sensor führt, ist groß.

Die Erfindung bezweckt, die oben geschilderten Schwierigkeiten und nachteiligen Effekte zu vermeiden. Die Aufgaben werden gemäß Anspruch 1 dadurch gelöst, daß der Gasdruck direkt auf der Oberfläche des innenliegenden Wandlers gemessen wird. Dadurch entfallen zuallererst die Laufzeiten. Zweitens werden unvermeidbare Gehäusevibrationen aufgrund der flexiblen Membranaufhängung nur abgeschwächt weitergeleitet. Drittens können diese Vibrationen vom Regler direkt und sofort, ohne Laufzeitverzögerungen, ausgeregelt werden.

Die Patentschrift DE-OS 008 688 (Motorola) beschreibt einen Piezo-Wandler, der eine mit einer Piezoschicht bedeckte Membran aufweist Es handelt sich jedoch nicht um einen Wandler, der für eine Druckregelung eingesetzt werden könnte, da z.B. der elektrodynamische Antrieb fehlt.

Die Patentschrift PCT/GB83/0016 (B&W LOUDSPEAKERS LIMITED) bezieht sich auf einen Lautsprecher, auf dessen Membran Drucksensoren angeordnet sind. Das System dient dazu, die Abstrahlcharakteristik des Lautsprechers auszumessen. Es dient nicht dazu, den Druck im Gehäuse zu regeln.

Die Drucksensoren der vorliegenden Erfindung bestehen aus leichten, dünnen, flexiblen piezoelektrische Schichten, die direkt auf die Oberfläche der Membran des elektrodynamischen Wandlers aufgebracht werden. Die piezoelektrischen Schichten werden an ihrer Oberfläche und an ihrer Grenzfläche zur Membran mit Elektroden versehen, sodaß piezoelektrische Sensoren entstehen. Diese Sensoren erzeugen Spannungen zwischen den Elektroden, falls die piezoelektrischen Schichten durch Druckeinwirkung zusammengepreßt oder gedehnt werden.

Gemäß Anspruch 2 besteht ein wichtiges Merkmal der Erfindung darin, daß als piezoelektrisches Material das leichte und flexible Polymer Polyvinylidenfluorid, PVDF, oder andere piezoelektrische Polymere verwendet werden. Dadurch und durch weitere Maßnahmen konstruktiver Art wird erreicht, daß die Flexibilität der Sensoren die Biegsamkeit der Membran weit übersteigt. Die eigentliche Membran überträgt alle Antriebskräfte von der Antriebsspule zu den einzelnen Flächenelementen der Membran. Die Sensoren sollen nur durch flächennormale Druckkräfte beeinflußt werden. Diese Eigenschaft wird auch durch geeignete Formgebung der Sensoren unterstützt. Es werden radiale Durchbrüche in den Schichten angeordnet, oder die Schichten werden in Form von kleinen Sechsecken, Kreisen etc. aufgebracht.

Anspruch 3 beschreibt die großflächige Ausbildung des Sensors. Dadurch werden Meßverfälschungen durch Membranresonanzen vermindert. Auch wird der Innenwiderstand der Spannungsquellen vermindert.

Anspruch 4 betrifft die Gestaltung eines Sensors, der nur Druckkräfte und nicht Beschleunigungskräfte mißt. Dazu werden auf der Membran verschieden dicke Schichten des piezoelektrischen Materials angeordnet und mit einzelnen Elektroden versehen. Die Schichten können auch übereinander angeordnet werden. Die Spannungen dieser Sensoren werden so gewichtet und voneinander subtrahiert, daß sich die Beschleunigungstenne der Signale gegenseitig aufheben. 2

Claims

AT 406 106 B Anspruch 5 betrifft eine einfache und fertigungsfreundliche Anordnung der Elektroden. Diese werden auf die Oberfläche des piezoelektrischen Materials und auf die gegenüberliegende Membranoberfläche aufgebracht. Zwischen den Elektroden liegen somit die piezoelektrische Schicht und die Membran selbst. Die Elektroden können durch Bedampfen, Sputtern etc. erzeugt werden. Anspruch 6 beschreibt eine mit dem System gemäß Anspruch 1 verwandte Vorrichtung. Der Wandler gemäß Anspruch 2 wird hier in Systemen zur aktiven Lärmreduktion eingesetzt. Durch Einbindung des Wandlers in einen Regelkreis wird die Membran zu lärmvermindernden Bewegungen veranlaßt. Beschreibung der Zeichnung Figur 1 zeigt ein System gemäß Anspruch 1. Das Gehäuse G ist durch die innere Trennwand T in zwei Kammern aufgeteilt, V1 und V2. Der innere Wandler W ist gegenüber dem Lautsprecher L in die innere Trennwand eingebaut. Die Membran M des Wandlers ist mit einem Sensor S versehen. Das Meßsignal gelangt über das Meßgerät M zum Regler R, der den Verstärker A ansteuert. Der Verstärker treibt den inneren Wandler. Figur 2 zeigt einen Wandler gemäß Anspruch 4 und 5 im Querschnitt und im Aufriß. Die Membran M des Wandlers ist mit zwei ringförmigen Schichten aus piezoelektrischem Material P bedeckt. Die Schichten sind mit Elektroden bedeckt und bilden so zwei Sensoren S1 und S2. Sowohl die piezoelektrischen Schichten als auch die Membran liegen zwischen den Sensoren. Die Schichten unterscheiden sich in ihrer Dicke. Die erzeugten Signale werden einer Meß- und Summationsschaltung C zugeführt. Patentansprüche: 1. Lautsprechersystem mit geschlossenem Gehäuse, bei welchem der Gasdruck innerhalb des Gehäuses mittels eines innenliegenden elektrodynamischen Wandlers und eines Regelkreises konstant gehalten wird, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Oberfläche der Membran des innenliegenden, den Innendruck konstant haltenden elektrodynamischen Wandlers piezoelektrische Drucksensoren angeordnet sind, welche die Änderungen des auf die Membran einwirkenden Druckes direkt an der Membranoberfläche messen, daß diese Sensoren aus piezoelektrisch wirkenden Schichten bestehen, die Teile der Membranoberfläche bedecken und mit elektrisch leitenden Elektroden versehen sind, wobei die piezoelektrischen Schichten so angeordnet sind, daß ihre Oberflächen an das Innenvolumen angrenzen, in welchem der Druck konstant gehalten werden soll, sodaß die von den piezoelektrischen Sensoren erzeugten Spannungen den Druckschwankungen in diesem Innenvolumen proportional sind, daß diese Spannungen dem Regler des Regelkreises zugeführt werden, der über einen Leistungsverstärker den innenliegenden Wandler treibt und die Membran dieses innenliegenden Wandlers bewegt um den Innendruck konstant zu halten.
2. Vorrichtung gemäß Anspruch 1 mit einem innenliegenden elektrodynamischen Wandler, der mit einer steifen Membran ausgestattet ist die mittels einer elektrischen Spule und eines auf die Spule einwirkenden Magnetfeldes eines Magneten durch Stromfluss durch diese Spule bewegt wird, dadurch gekennzeichnet, daß Teile einer oder beider Oberflächen der Membran des innenliegenden Wandlers mit piezoelektrisch wirkenden Schichten bedeckt sind, die aus dem Stoff Polyvinylidenfluorid, PVDF, oder anderen piezoelektrischen Polymeren bestehen, daß die äußeren Oberflächen und die inneren, an die Membran grenzenden Flächen dieser Schichten mit elektrisch leitenden, als Elektroden wirkenden Schichten derartig überzogen sind, daß das piezoelektrisch wirkende Material zwischen diesen Schichten liegt, und daß Änderungen des auf die piezoelektrischen Schichten einwirkenden Druckes elektrische Spannungen zwischen den Elektroden hervorrufen, daß die piezoelektrischen Schichten und die Elektroden so dünn und flexibel sind oder in ihrer Form mittels Schlitzen und Durchbrüchen so gestaltet sind, daß die Weiterleitung der Antriebskräfte der Spule zu den Membran flächenelementen über die Membran selbst erfolgt und nicht über die piezoelektrischen Schichten, sodaß auf die 3 AT 406 1 06 B piezoelektrischen Schichten hauptsächlich flächennormale Gasdruckkräfte und Beschleunigungskräfte einwirken.
3. Vorrichtung gemäß den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine oder beide Oberflächen der Membran des innenliegenden Wandlers annähernd vollständig mit den piezoelektrischen Schichten bedeckt sind.
4. Elektrodynamischer Wandler zur Verwendung als innenliegender Wandler in den Vorrichtungen gemäß den Ansprüchen 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß Teile der Membran mit piezoelektrischen Schichten aus dem Stoff Polyvinylidenfluorid, PVDF, oder anderen piezoelektrischen Polymeren bedeckt ist, daß diese Schichten aus mehreren auf der Oberfläche verteilten oder übereinander angeordneten Segmenten bestehen, daß sich die Dicken der einzelnen Segmente voneinander unterscheiden, daß die einzelnen Segmente jeweils mit eigenen Elektroden versehen sind und somit einzelne Sensoren bilden, und daß die von den einzelnen Sensoren erzeugten Spannungen vom elektronischen Schaltkreis derartig gewichtet und derartig voneinander subtrahiert werden, daß sich die beschleunigungsproportionalen Signalanteile gegenseitig annähernd aufheben und somit ein hauptsächlich druckproportionales Summensignai erzeugt wird.
5. Elektrodynamischer Wandler zur Verwendung als innenliegender Wandler in den Vorrichtungen gemäß den Ansprüchen 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß Teile der Membran mit piezoelektrischen Schichten aus dem Stoff Polyvinylidenfluorid, PVDF, oder anderen piezoelektrischen Polymeren bedeckt ist, die mit Elektroden versehen sind und so Drucksensoren bilden, daß eine der beiden Elektroden des piezoelektrischen Sensors die Oberfläche der piezoelektrischen Schicht bedeckt, und daß die zugehörige andere Elektrode des Sensors die gegenüberliegende, rückwärtige Oberfläche der Membran bedeckt sodaß zwischen den beiden Elektroden sowohl die piezoelektrische Schicht als auch die eigentliche Membran liegen.
6. Anwendung des in den Ansprüchen 2-5 genannten elektrodynamischen Wandlers in Systemen zur aktiven Lärmverminderung, in denen Lärm durch die Bewegung einer Membran eines Wandlers vermindert wird, wobei der elektrodynamische Wandler, dessen Membran mit Drucksensoren aus Polyvinylidenfluorid oder anderen piezoelektrischen Polymeren bedeckt ist, so angeordnet ist, daß die Oberfläche der piezoelektrischen Schichten an den Raum angrenzen, in dem der Lärm reduziert werden soll, daß die von den piezoelektrischen Sensoren erzeugten Signale dem Regler des aktiven Lärmdämpfungssystems zugeführt werden, und daß die Antriebsspule der Membran des Wandlers mit dem Ausgang des Leistungsverstärkers des Systems verbunden ist und von dessen Ausgangsströmen zu Bewegungen veranlasst wird. Hiezu 1 Blatt Zeichnungen 4