BE1011085A4 - Element voor het weergeven en/of opnemen van geluid. - Google Patents

Abstract

Element voor het weergeven en/of opnemen van geluid, bestaande uit een membraan (3) dat voorzien is van een piëzo-elektrisch element (5), elektrische aansluitmiddelen (6) die met het piëzo-elektrisch element (5) samenwerken en een behuizing (2) voor het membraan (3), daardoor gekenmerkt dat het element (1) een wanddeel (17) omvat dat gelegen is op een geringe afstand (D1) van het membraan (3), zodanig dat een dempend effect wordt bekomen op de geluidstrillingen die door het membraan (3) worden gegenereerd.

Description

Element voor het weergeven en/of opnemen van geluid.

Deze uitvinding heeft betrekking op een element voor het weergeven en/of opnemen van geluid, meer speciaal een luidspreker en/of een micro.

In het bijzonder heeft de uitvinding betrekking op een element voor het weergeven en/of opnemen van geluid dat gebruik maakt van een piëzo-elektrisch element.

Het is bekend dat een elektrisch signaal door middel van verschillende soorten weergevers kan worden omgezet in een hoorbare geluidstrilling en dat omgekeerd geluidstrillingen kunnen omgezet worden in elektrische signalen.

Een eerste type bekende geluidsweergevers wordt gevormd door de elektro-dynamische luidsprekers.

Dergelijke luidsprekers die doorgaans gebruik maken van een papieren conus vertonen als hoofdzakelijke nadelen dat zij: - een relatief groot volume innemen; - een groot elektrisch vermogen vergen; - een hoog stroomverbruik hebben, wat dikke aansluit-draden noodzakelijk maakt; - omwille van de magneethoogte, een vrij grote diepte bezitten; - een slechte weergave hebben voor hoge tonen; - gevoelig zijn voor temperatuur en luchtvochtigheid; - een laag rendement hebben; - grote afmetingen bezitten voor een "Füll range"-weergave; - een elektro-magnetisch veld (EMC) veroorzaken; - een relatief lage betrouwbaarheid vertonen aangezien het spoeltje bij constante belasting opwarmt en stuk gaat; - een speciale bescherming vereisen van de papieren conus die zeer broos is; - een complexe opbouw vertonen.

Een ander type bekende geluidsweergevers wordt gevormd door elektro-statische weergevers.

Deze weergevers vertonen echter eveneens een aanzienlijk aantal nadelen, namelijk dat zij: - zeer kostbaar zijn; - grote afmetingen vereisen voor een "Füll range" weergave; - hoge spanningen vereisen; - een kritische en moeilijke constructie vereisen; - zeer gevoelig zijn voor vochtigheid; - storingsgevoelig zijn; - het rendement ervan slechts redelijk kan genoemd worden; - een aangepaste ruimte vereisen.

Een derde type bekende geluidsweergevers wordt gevormd door piëzo-elektrische weergevers.

Dit laatste type weergevers maakt gebruik van een trillingsmembraan dat is samengesteld uit een drager, doorgaans een dun metalen schijfje, en een op deze drager bevestigde piëzo-keramische schijf.

Dit membraan is opgehangen, hetzij door middel van een nodale ophanging waarbij het membraan op de knooppunten met flexibele lijm aan een behuizing is bevestigd, hetzij door middel van een ophanging aan de gehele omtrek door middel van een harde of flexibele lijm.

Door aan dit membraan en de piëzo schijf een wisselende spanning aan te leggen gaat het materiaal van de piëzo-keramische schijf expanderen of krimpen zodat, doordat de metalen drager zelf niet kan expanderen of krimpen, het geheel zich zal verbuigen in functie van de spanningsveranderingen, waardoor een geluidssignaal wordt gegenereerd dat evenredig is met de frequentie en de amplitude van het aangelegde wisselend potentieel.

Het is ook bekend dat het piëzo-elektrische effect wederkerig is, met andere woorden dat wanneer het membraan en de piëzo schijf wordt bewogen, bijvoorbeeld door middel van geluidstrillingen, een elektrische spanning wordt opgewekt die evenredig is met de verplaatsingen uitgevoerd door het membraan en de ten gevolge daarvan in de piëzo-keramische schijf gegenereerde drukwijzigingen, één en ander zodanig dat op deze wijze het geheel, gevormd door de drager en het piëzo-element, een element vormt dat als microfoon fungeert.

De algemene voordelen van zulke piëzo-elektrische weergevers zijn dat zij: - een zeer dunne, respectievelijk platte constructie bezitten; - eenvoudig, doch robust geconstrueerd zijn; - schok-, water- en temperatuur bestendig zijn; - als microfoon kunnen gebruikt worden; - geen elektrisch veld (EMC) creëeren; - een gering gewicht bezitten; - weinig energie vereisen; - een geringe stroom vereisen in de leidingen naar de luidspreker; - een zeer hoge akoestische output hebben, zelfs voor zeer kleine luidsprekers.

Een nadeel van de tot op heden bekende uitvoeringen van zulke piëzo-elektrische weergever bestaat er echter in dat zij alleen geschikt zijn voor het weergeven van relatief hoge tonen, en niet kunnen worden aangewend voor het volledige hoorbare frequentiespectrum van 15 Hz tot 20 kHz.

Meer speciaal is geen of slechts een zeer slechte weergave van geluid beneden de 1000 Hz mogelijk. Aldus kan een groot gedeelte van het gesproken woord en van het muzikale spectrum tot op heden niet worden weergegeven door middel van een piëzo-elektrisch membraan. Dergelijke piëzo-elektrische weergevers worden tot op heden dan ook uitsluitend aangewend voor zoemers, transducers en tweeters of microfoons en luidsprekers in toepassingen waar geen noodzaak bestaat aan een goede kwaliteit van de weergave.

De uitvinding heeft betrekking op een element voor het weergeven en/of opnemen van geluid, waarbij gebruik wordt gemaakt van het piëzo-elektrische principe, doch waarbij de voornoemde nadelen van de bekende uitvoeringen worden uitgesloten of worden geminimaliseerd.

Meer speciaal beoogt de uitvinding een piëzo-keramische luidspreker die een optimale geluidsweergave toelaat in het volledige hoorbare spectrum van 15 Hz tot 20 kHz.

De uitvinding beoogt hierbij een element dat zowel geschikt is voor kleine als voor grote uitvoeringen, meer speciaal constructies met een diameter die kleiner is dan 10 mm, tot constructies met een diameter van 1 meter.

Hiertoe heeft de uitvinding betrekking op een element voor het weergeven en/of opnemen van geluid, bestaande uit een membraan dat voorzien is van een piëzo-elektrisch element, elektrische aansluitmiddelen die met het piëzo-elektrisch element samenwerken en een behuizing voor het membraan, daardoor gekenmerkt dat het element een wandddeel omvat dat gelegen is op een geringe afstand van het membraan, zodanig dat een dempend effect wordt bekomen op de geluidstril-lingen die door het membraan worden gegenereerd.

Meer speciaal bevindt het voornoemde wanddeel zich op een zodanig geringe afstand van het membraan dat de lucht die zich verplaatst bij het genereren van de geluidstrillingen wordt weerkaatst tegen het voornoemde wanddeel en zodoende de teruggekaatste trillingen een demping aan het membraan creëeren.

Bij voorkeur is de afstand tussen het membraan en het voornoemde wanddeel begrepen tussen 0,5 mm en 10 mm, en beter nog tussen 0,5 en 5 mm.

Op deze wijze bekomt men een bijzonder goede geluidsweergave en dit in het volledige hoorbare geluidsspectrum.

De verklaring hiervoor bestaat er ondermeer in dat door de voornoemde demping de kwaliteitsfactor van de hogere harmonischen wordt afgezwakt en dat de resonantiefrequentie wordt verlaagd.

In het voornoemde wanddeel en/of aan de omtrek hiervan zijn bij voorkeur gaten aangebracht die een luchtuitstroming toelaten, zodat het geluid gemakkelijk naar buiten kan treden, zonder dat evenwel het dempingseffect van het voornoemde wanddeel verloren gaat.

In een bijzondere uitvoering van de uitvinding is het voornoemde wanddeel gevormd door een verdikking, wat ondermeer het voordeel oplevert dat parasitaire trillingen aan dit wanddeel worden uitgesloten of althans worden geminimaliseerd.

In een andere uitvoeringsvorm, die vooral nuttig is bij uitvoeringen met grotere diameters, is het voornoemde wanddeel voorzien van een lichaam met een relatief groot gewicht waardoor het voornoemd dempend effect wordt vergroot en ondermeer ook parasitaire trillingen worden voorkomen.

Eén of meer samenstellende delen van het element volgens de uitvinding kunnen worden voorzien van een dempende laag, bij voorkeur een dempende elastische stof, zoals silicone, die ondermeer trillingsenergie bij fragmentatie kan opslorpen en ervoor zorgt dat scherpe resonantiepieken bij hoge frequenties worden gedempt. Hierdoor wordt een kwalitatief betere weergave bekomen.

Met het inzicht de kenmerken van de uitvinding beter aan te tonen, zijn hierna als voorbeelden zonder enig beperkend karakter enkele voorkeurdragende uitvoeringsvormen beschreven met verwijzing naar de bijgaande tekeningen, waarin: figuur 1 in doorsnede een element volgens de uitvinding weergeeft; figuur 2 een doorsnede weergeeft volgens lijn II-II in figuur 2; figuren 3, 4 en 5 doorsneden weergeven gelijkaardig aan deze van figuur 1, doch voor uitvoeringsvarianten; figuur 6 op een grotere schaal een zicht weergeeft van het gedeelte dat in figuur 4 met F6 is aangeduuid; figuren 7 tot 22 een aantal schematische voorstellingen weergeven.

Het element 1 volgens de uitvinding voor het weergeven en/of opnemen van geluid bestaat uit een behuizing 2; een membraan 3 dat minstens is samengesteld uit een drager 4 en een hiertegen bevestigd piëzo-elektrisch element 5; en elektrische aansluitmiddelen 6.

De behuizing 2 omvat in dit geval een behuizingsdeel 7 met een voorwand 8 en een cilindervormige zijwand 9. Dit behuizingsdeel 7 is bij voorkeur uit kunststof vervaardigd.

Het membraan 3 is aan zijn randen bevestigd op een kraag 10 die in het behuizingsdeel 7 is aangebracht, bij voorkeur door middel van een elastische of flexibele lijm 11.

De drager 4 van het membraan 3 bestaat uit een metalen schijfje, bijvoorbeeld uit messing, van zeer geringe dikte.

Het piëzo-elektrisch element 5 bestaat uit een piëzo-keramische schijf, bijvoorbeeld met een dikte in de orde van grootte van 30 micron, die tegen de drager 4 is bevestigd, bijvoorbeeld door lijmen.

De elektrische aansluitmiddelen 6 bestaan uit geleiders 12-13 die zodanig aan het membraan 3 zijn verbonden dat een elektrisch potentiaal over het piëzo-elektrisch element 5 kan worden gecreëerd.

Deze geleiders 12-13 staan bijvoorbeeld in verbinding met aans luitpennen 14-15 die in een afdekplaatje 16, dat de achterzijde van de behuizing 2 vormt, zijn bevestigd.

Het bijzondere van de uitvinding bestaat erin dat het element 1 is voorzien van een zich langs het membraan 3, op een afstand Dl daarvan, uitstrekkend wanddeel 17, dat een dempend effect oplevert.

De afstand Dl is verhoudingsgewijs zeer gering en bij voorkeur kleiner dan of gelijk aan 10 mm. Meestal zal deze afstand Dl begrepen zijn tussen 0,5 mm en 5 mm, afhankelijk van de grootte van de luidspreker.

Aan de omtrek, tussen het membraan 3 en rond het wanddeel 17, is een kamer 18 gevormd die dieper is dan de afstand Dl.

Het verschil tussen de afstand Dl en de diepte van de kamer 18 is verkregen doordat de voorwand 8 een verdikking 19 vertoont.

Opgemerkt wordt dat volgens een niet weergegeven variante de voorwand 8 ter plaatse van het wanddeel 17 naar binnen kan gebogen zijn, zodat de voorwand niet noodzakelijk verdikt hoeft te zijn. Het gebruik van een verdikking en/of verstijving 19 zorgt er echter voor dat zoals hierna nog beschreven het ontstaan van parasitaire trillingen door het trillen van de voorwand 8 wordt tegengegaan.

Volgens een andere niet weergegeven variante is de binnenzijde van de voorwand 8 volledig vlak en bevindt zich over haar volledige oppervlak op een geringe afstand Dl van het membraan 3.

In de behuizing 2 zijn gaten 20 aangebracht die toelaten dat het geluid zich naar buiten kan voortplanten, waarbij deze gaten 20 uitgeven in de kamer 18 en waarbij deze gaten voldoende groot zijn om de luchtuitstroming naar buiten te verzekeren, alsook om een eventueel filtereffect uit te respectievelijk te minimaliseren.

In figuur 1 is het membraan 3 aan de voorzijde voorzien van een dempende laag 21, bij voorkeur uit een flexibel materiaal zoals silicone, siliconerubber of een elastomeer, waarbij deze dempende laag 21 bedoeld is om trillings-energie die ontstaat bij fragmentatie van het membraan op te slorpen en tevens er voor zorgt dat scherpe résonantïepieken bij hoge frequenties worden gedempt.

De voornoemde afdekplaat 16 kan bestaan uit een printplaat, waarop eventueel elektronica-componenten kunnen aangebracht zijn, waarbij in deze afdekplaat 16 eveneens gaten 22 zijn aangebracht die ervoor zorgen dat geen extra belasting wordt veroorzaakt van het membraan 3, door de ingesloten lucht.

Het voornoemde behuizingsdeel 7 en het wanddeel 17 zijn bij voorkeur in kunststof uitgevoerd.

De behuizing 2 vertoont verder een flens waarin bevesti-gingsgaten 23 aangebracht zijn.

De werking van een element 1 berust op het principe dat bij het aanleggen van een elektrisch signaal aan de aansluitpennen 14-15 het membraan 3 in functie van dit signaal gaat trillen. Hierdoor wordt een luchtverplaatsing veroorzaakt, waardoor geluid gegenereerd wordt. Door de geringe afstand Dl, alsmede door het feit dat de voorwand 8 is voorzien van een verdikking 19, ontstaat het hiervoor genoemde dempingseffect.

In de figuren 3, 4 en 5 zijn drie varianten weergegeven waarbij het voornoemde wanddeel 17 is voorzien van een verzwarend lichaam of massa 24, ten einde het dempingseffect te vergroten, waarbij dit lichaam 24 bestaat uit een schijf in een materiaal met een grote densiteit, bijvoorbeeld metaal zoals koper of lood en waarbij deze schijf is aangebracht in de behuizing 2.

Daar waar reeds op de drager 4 van het membraan 3 een dempende laag 21 is voorzien kan ook op andere plaatsen, bijvoorbeeld op het wanddeel 17 of op de zijde van het lichaam 24 die naar het membraan 3 gericht is, een dempende laag 25 voorzien worden, zoals weergegeven in figuur 3.

In de variante volgens figuur 4 bevindt het lichaam 24 zich aan de buitenzijde van de voorwand 8 en is de dempende laag 25 ingesloten tussen de behuizing 2 en het lichaam 24.

In figuui 5 is een variante weergegeven waarbij het lichaam 24 en de erop aangebrachte dempende laag 25 zodanig voorzien zijn dat de kamer 18 merkelijk wordt vergroot doordat deze doorloopt tot achter het lichaam 24, waarbij dit laatste op een centrale steun 26 is bevestigd.

Opgemerkt wordt dat de drager 4, het piëzo-elektrisch element 5 en de laag 21 in de figuren 1, 3, 4 en 5 schematisch ongeveer even dik zijn afgebeeld, doch dat in werkelijkheid de laag 21 aanzienlijk dikker is dan het membraan 3, zoals meer reëel in figuur 6 is afgebeeld, bijvoorbeeld tien maal dikker en zodoende van de orde van grootte van 1 mm. Ook de laag 25 zal bij voorkeur een dikte vertonen van de orde van grootte van 1 mm.

Ten einde de uitvinding verder toe te lichten, is hierna een theoretische benadering weergegeven van zowel een aantal algemene principes, als van specifieke kenmerken van de uitvinding.

In de figuren 7 en 8 is schematisch het verschil weergegeven tussen, enerzijds, een nodale ophanging (figuur 7) en een ophanging aan de rand van het membraan 3 (figuur 8) .

Dergelijke membranen vertonen resonantiefrequenties. Op deze resonantiefrequenties ontstaan ongewenste effecten die de geluidskwaliteit nadelig beïnvloeden.

Volgens de uitvinding wordt er nu onder andere naar gestreefd om deze resonantiefrequenties te verlagen tot aan de ondergrens van het hoorbare spectrum, dus een soort demping te gaan realiseren, om zodoende een frequentie-weergave te realiseren die vanaf 30 Hz door middel van een nagenoeg vlak verloop tot 20 kHz kan worden doorlopen en aldus het volledige hoorbare frequentiegebied ("füll range") bestrijkt, zonder dat daarbij resonantiefrequenties voorkomen.

De resonantiefrequentie Frn van een circulair nodaal ondersteunde plaat kan in de volgende formule worden uitgedrukt :

Hierin is : t = de totale dikte van het membraan 3; S = de oppervlakte van het membraan; y = de modulus van Young (N/m ); d = de densiteit van de drager 4, die minimum 2,5 3 kg/dm bedraagt ; r = de ratio van Poisson.

Hieruit blijkt dat de resonantiefrequentie sterk afhankelijk is van de dikte en de oppervlakte, met andere woorden de diameter, van het membraan 3. Hoe dunner het membraan 3, hoe lager de resonantiefrequentie.

Om de resonantiefrequentie te minimaliseren kan dus getracht worden de dikte van het membraan 3 te reduceren, door de dikte van de drager 4 en/of van het element 5 tot een minimum te herleiden.

Omwille van fysische redenen kan de dikte van de drager 4 echter niet minder dan 20 micron zijn. Teneinde te bekomen dat de gegenereerde trillingen optimaal concentrisch zijn, is het bovendien wenselijk dat de drager 4 en het element 5 dezelfde dikte vertonen. De resonantiefrequentie kan bijgevolg slechts in beperkte mate worden geminimaliseerd door de keuze van de dikte van de drager 4 en het element 5.

Ook wordt opgemerkt dat, bij een ophanging aan de rand, de verhouding tussen de diameter D2 van het element 5 en de diameter D3 van de drager 4 moet gelegen zijn tussen 0,85 en 0,5. Het is duidelijk dat een grotere drager 4, en bijgevolg een groter oppervlak S en een kleinere resonantiefrequentie, dan ook een groter element 5 vergen waardoor de kostprijs aanzienlijk stijgt.

De resonantie van een piëzo-elektrisch membraan 3 dat bestaat uit een keramische schijf die gekleefd is op een metalen drager 4, wat een zogenaamde "unimorph" vormt, is afhankelijk van de wijze waarop het membraan 3 is opgehangen. Bij een ophanging aan de rand dient bij de berekening van de resonantiefrequentie een montagefactor K in rekening te worden gebracht die door- gaans 0,7 bedraagt.

Bij een ophanging aan de rand betekent dit dat :

Indien nu wordt uitgegaan van een theoretische benadering met een metalen strip die, zoals afgebeeld in figuur 9 aan zijn vrije uiteinde is verzwaard met een gewicht G, dan heeft deze strip in zijn rustpositie aanvankelijk geen potentiële energie en geen kinetische energie.

Wanneer het gewicht door een kracht F van uit de positie PI in de positie P2 wordt gebracht, heeft het gewicht G een maximale potentiële energie en een minimale kinetische energie.

Wanneer de kracht F verwijderd wordt in positie P2 zal dit gewicht terugkeren naar zijn rustpositie PI en bouwt gedurende deze beweging een snelheid en een kinetische energie op. Deze kinetische energie is maximaal op het ogenblik dat het gewicht G doorheen de positie PI gaat, terwijl op dat ogenblik de potentiële energie gelijk is aan nul.

De maximale kinetische energie zorgt ervoor dat het gewicht G naar positie P3 gebracht wordt, waar de kinetische energie terug minimaal is en de potentiële energie terug maximaal. Er ontstaat een oscillatietrilling die oneindig zou voortgezet worden indien er geen energieverlies zou zijn.

Deze oscillatie-frequentie wordt bepaald door de lengte L van de strip, de zwaarte van het gewicht G en de elasticiteitsmodulus van de strip. De principiële verhouding van deze grootheden in relatie met de oscillatiefrequentie zijn als volgt:

waarin y = modulus van Young L = lengte van de strip G = gewicht aan uiteinde van de strip

Er kan dus gesteld worden dat de oscillatiefrequentie daalt wanneer het gewicht G in grootte toeneemt, wat respectievelijk ook in de figuren 10 en 11 kan worden gezien, waarin de oscillatie is afgebeeld zonder gewicht en met gewicht.

Wanneer nu het gegeven dat de frequentie omgekeerd evenredig is met het gewicht wordt ingebracht in de voornoemde formule van de resonantiefrequentie wordt deze als volgt:

Om dit te bereiken met een vlak circulair membraan 3 kan dit, aan de rand worden ingekleefd met een flexibele lijm 11, zoals bijvoorbeeld siliconenrubber, zodat de behuizing 2 als gewicht gaat fungeren en het kantelpunt precies in de flexibele zone ligt waar het membraan 3 is ingelijmd aan zijn rand.

Dit is schematisch afgebeeld in figuur 12, waarbij het membraan 3 in een overdreven uitgebogen vorm is afgebeeld.

De uitbuiging is gekenmerkt door volgende afmetingen: A = uitwijking van het membraan in het centrum, die bijvoorbeeld 1 mm bedraagt voor 100 Hz, 0,3 mm voor 300 Hz en 0,01 mm voor 10 kHz; B = straal van het vrij gedeelte van het trillend membraan 3 ; a = uitwijking van het ingelijmde deel aan de rand; b = breedte van steunrand, met andere woorden van de voornoemde kraag 10.

Bij benadering kan gesteld worden dat de verhouding a/b gelijk is aan de verhouding A/B en dat bijgevolg:

a = (A.b)/B

Bij een straal B van 12,5 mm en een steunrand met een breedte b van 2 mm, stellen we vast dat a = 0,16 mm bij 100 Hz a = 0,04 mm bij 300 Hz a = 0,0008 mm bij 10 kHz

Het uiteinde van de trilplaat beweegt dus maximaal 0,16 mm bij 100 Hz 0,04 mm bij 300 Hz 0,0008 mm bij 10 kHz

Bij het gebruik van een flexibele siliconenli jm met een viscositeit van bijvoorbeeld 35 000 mPa-s, wordt de beweging van het uiteinde van het membraan 3 niet geremd maar zal dit in combinatie met het gewicht van de omliggende behuizing 2 de resonantie doen dalen en dempen volgens het hierboven beschreven principe. Deze resonantie wordt bij een dergelijke constructie gedempt en minder scherp dan bij andere constructies. Dit is in figuur 13 schematisch weergegeven door middel van de curven F , ΓΠ

Fri en Frr tespectievelijk de resonantiefrequenties weergeven bij een nodale ondersteuning, een ondersteuning waarbij het membraan 3 aan de rand is vastgekleefd of ingeklemd, en een ondersteuning waarbij het membraan 3 aan de rand is vastgekleefd door middel van een flexibele lijm 11.

De voornoemde factor K kan als volgt worden uitgedrukt:

waarin : b = breedte van de kraag 10; D4 = diameter van het membraan gemeten tussen de kraag 10; v = viscositeit van de lijm 11.

De formule van de resonantiefrequentie F wordt dus:

Gezien de densiteit d (het gewicht per volume) van de plaat de resonantiefrequentie beïnvloedt en deze de tegenkracht betekent, zal de traagheid van het in gang brengen van de trilling door de densiteit de resonantie beïnvloeden. Hoe hoger de densiteit, hoe lager de resonantiefrequentie.

De traagheid van reactie heeft ook invloed op de demping van de hogere resonanties. Indien het membraan 3 geluids-trillingen produceert en deze vanop korte afstand teruggekaatst worden, zal het membraan 3 over zijn gehele oppervlakte meer weerstand ontvangen en aldus trager in beweging komen. Hierdoor wordt de kwaliteitsfactor van de hogere harmonischen afgezwakt en wordt het membraan 3 schijnbaar zwaarder, zodat de resonantiefrequentie daalt.

Tevens zullen de hogere en scherpere harmonischen afgezwakt worden.

Uit het voorgaande kan worden geconcludeerd dat bij een montage van het membraan 3 dicht tegen de binnenzijde van de voorwand 8, dus met een geringe afstand Dl, een schijnbare stijging wordt veroorzaakt van de densiteit d en aldus het resonantieverschijnsel wordt gedempt en bovendien wordt afgevlakt.

Hieruit kan ook worden afgeleid dat een schijnbare verhoging van de densiteit d ontstaat naarmate de voornoemde afstand Dl kleiner wordt, alsook naarmate het oppervlak SI van het wanddeel 17, waarmee het gedeelte wordt bedoeld dat zich op de afstand Dl van het membraan 3 bevindt, groter wordt. Wanneer deze invloed wordt ingebracht in de formule van de resonantiefrequentie F , wordt deze als volgt :

waarin : SI = oppervlakte van het wanddeel 17 dat zich op een geringe afstand Dl van het membraan 3 bevindt;

Dl = afstand tussen het membraan 3 en het wanddeel 17.

Het is duidelijk dat de resonantiefrequentie kan worden verlaagd door de afstand Dl zo klein mogelijk te kiezen.

Het verschil wordt geïllustreerd in de bijgaande figuur 14, waarin het verloop van de resonantiefrequentie bij een afstand Dl van 10 mm is weergegeven door middel van de curve Cl, terwijl het verloop bij een afstand Dl van 2 mm is weergegeven door middel van de curve C2.

Verder wordt opgemerkt dat piëzo-elektrische membranen een zeer snel reactievermogen hebben en eigenlijk niet beperkt zijn in bandbreedte en reactiesnelheid. In een complex signaal, zoals spraak of muziek, zijn een oneindig aantal harmonischen kortstondig aanwezig. Het membraan 3 wordt in zulk geval verplicht te trillen en te reageren op deze frequenties. Er ontstaan dus situaties waarbij bepaalde frequentie-inhouden zouden resoneren op bepaalde plaatsen van het membraan 3 en aldus bij hogere frequenties fragmenteren. In een frequentie-analyse worden dan ook scherpe pieken opgemerkt in de hogere frequenties, die moeten worden vermeden daar deze een bepaalde verstoring geven bij een bepaalde frequentie-inhoud. Deze scherpe pieken zijn schematisch weergegeven in de curve van figuur 15.

Door nu, zoals voornoemd, het membraan 3 te beleggen met een laag 21 uit een flexibel materiaal, zoals silicone, wordt dit volgens de uitvinding tegengegaan. Deze laag 21 slorpt de trillingsenergie op bij fragmentatie en de scherpe resonantiepieken bij hoge frequenties worden gedempt, zoals schematisch door de curve in figuur 16 is weergegeven.

Figuur 17 geeft schematisch weer hoe trillingen T die ontstaan bij plaatselijke fragmentatie worden opgeslorpt door de laag 21. Deze dempingslaag kan ook niet of gedeeltelijk aangebracht worden voor toepassingen waar de hogere frekwenties nodig zijn voor alarm functies of waar veel geluidsdruk voor specifieke hogere frekwenties gewenst zijn.

Het is duidelijk dat de voornoemde voorwand 8, althans wanneer geen maatregelen worden getroffen, gaat trillen door de geluidstrillingen die door het membraan 3 op de binnenzijde van de voorwand 8 worden uitgestraald. Hierbij ontstaat aan de voorwand 8 een parasitaire trilling die uit fase is ten overstaan van de gewenste trilling voortgebracht door het membraan 3 en uitgestraald doorheen de gaten 20, waardoor een hoorbare vervorming van het geluidssignaal kan ontstaan.

Om deze reden zijn dan ook volgens de uitvinding voorzieningen getroffen die de voorwand 8 dempen, om zodoende parasitaire trillingen te voorkomen en/of te minimaliseren.

Deze voorzieningen bestaan er zoals voornoemd in dat de voorwand 8, en meer speciaal het wanddeel 17, verstijfd en/of verzwaard wordt, respectievelijk door middel van een verdikking 19 en/of het gebruik van een lichaam 24.

Het effect van de dempende laag 25 kan aangetoond worden door middel van de hiernavolgende uiteenzetting.

De kinetische energie van de bewegende voorwand 8 kan als volgt worden uitgedrukt :

waarin : m = massa; v = snelheid; I = traagheidsmoment w = hoeksnelheid of oscillatiefrequentie.

Om een kritische demping te voorkomen moet de druk P uitgeoefend door de geluidstrillingen op de voorwand 8 in een punt van de voorwand voldoen aan de volgende eis :

Wanneer de voorwand 8 in trilling komt, moet aan volgende voorwaarden voldaan zijn :

Om dit te realiseren is aldus de laag 25 tegen het gewicht aangebracht. De elastische stof waaruit deze laag 25 bestaat dempt de schokgolf en ontbindt de daarbij ontstaande krachten in één frontale kracht en verschillende dwarskrachten. Deze laag 25 fungeert als het ware als een schokdemper, waarbij zoals respectievelijk in de figuren 18 en 19 is weergegeven de kracht K gegenereerd door de geluidstrilling van het membraan 3 wordt gedempt en ontbonden in niet storende dwarskrachten.

Opgemerkt wordt dat de elasticiteitsmodulus E van een elatische stof kan worden uitgedrukt als volgt : E = 3.k.(1-2.u) E = 2.g.(1+u) waarin : k = compressiemodulus; u = dwarscontractiecoëfficiënt; g = glijdingsmodulus.

De compressiemodulus is bij de meeste stoffen 1010

Newton/m of 1 % volumevermindering bij 1000 atmosfeer.

De compressiemodulus k van de gebruikte elastische stof bij

O

100 % verlening, uitgedrukt in N/mm is bij voorkeur volgens de uitvinding hierbij gelegen tussen of gelijk aan 0,1 en 1, met andere woorden : 0,1 < k < 1

De dwarscoëfficiënt u van de gebruikte elastische stof voldoet bij voorkeur aan : 0 < u < 0,5

Tenslottè zijn in de bijgaande figuren 20, 21 en 22 nog een aantal curven weergegeven van de weergave van het geluid geproduceerd door een bekende elektro-dynamische weergever en door een piëzo-elektrische weergever volgens de uitvinding. Hierin hebben de curven die aangeduid zijn met ED betrekking op de elektro-dynamische weergever, terwijl de curven die aangeduid zijn met PE betrekking hebben op de piëzo-elektrische weergever.

Verder hebben de figuren 20, 21 en 2 2 betrekking op uitvoeringen van 3 verschillende doormeters, respectievelijk van de orde van grootte van 25 mm, 35 mm en 57 mm.

Uit de vergelijkende curven PE en ED is duidelijk merkbaar dat de weergave door middel van een element 1 volgens de uitvinding doorgaans merkelijk beter en sterker in geluidsdruk is dan de weergave door middel van een qua afmetingen gelijkwaardige elektro-dynamische uitvoering.

De huidige uitvinding is geenszins beperkt tot de als voorbeeld beschreven en in de figuren weergegeven uitvoeringsvormen, doch dergelijk element voor het weergeven en/of opnemen van geluid kan in verschillende vormen en afmetingen worden verwezenlijkt zonder buiten het kader van de uitvinding te treden.

Claims (17)

1. Element voor het weergeven en/of opnemen van geluid, bestaande uit een membraan (3) dat voorzien is van een piëzo-elektrisch element (5), elektrische aansluitmiddelen (6) die met het piëzo-elektrisch element (5) samenwerken en een behuizing (2) voor het membraan (3), daardoor gekenmerkt dat het element (1) een wandddeel (17) omvat dat gelegen is op een geringe afstand (Dl) van het membraan (3), zodanig dat een dempend effect wordt bekomen op de geluidstrillingen die door het membraan (3) worden gegenereerd.

2. Element volgens conclusie 1, daardoor gekenmerkt dat de afstand (Dl) tussen het membraan (3) en het wanddeel (17) kleiner is dan of gelijk is aan 10 mm.

3. Element volgens conclusie 2, daardoor gekenmerkt dat de afstand (Dl) tussen het membraan (3) en het wanddeel (17) begrepen is tussen 0,5 en 5 mm.

4. Element volgens één van de voorgaande conclusies, daardoor gekenmerkt dat het voornoemde wanddeel (17) plaatselijk verdikt is.

5. Element volgens één van de voorgaande conclusies, daardoor gekenmerkt dat langs de omtrek een kamer (18) is gevormd.

6. Element volgens één van de voorgaande conclusies, daardoor gekenmerkt dat in de behuizing (2) gaten (20) zijn aangebracht.

7. Element volgens conclusies 5 en 6, daardoor gekenmerkt dat de gaten (20) uitgeven in de voornoemde kamer (18).

8. Element volgens één van de voorgaande conclusies, daardoor gekenmerkt dat het voornoemde wanddeel (17) deel uitmaakt van de behuizing (2).

9. Element volgens één van de voorgaande conclusies, daardoor gekenmerkt dat het voornoemde wanddeel (17) voorzien is van een verzwarend lichaam of gewicht (24).

10. Element volgens conclusie 9, daardoor gekenmerkt dat het voornoemde wanddeel (17) bestaat uit een lichaam (24) dat is aangebracht tussen het membraan (3) en een daaraan parallelle wand van de behuizing (2), waarbij dit lichaam (24) op een afstand van deze wand is gemonteerd, bij voorkeur op een centraal geplaatste steun (26).

11. Element volgens conclusie 9 of 10, daardoor gekenmerkt dat het lichaam (24) bestaat uit een schijf uit een materiaal met een grote densiteit, bij voorkeur een schijf uit metaal, meer specifiek uit koper, messing, lood of een legering.

12. Element volgens één van de voorgaande conclusies, daardoor gekenmerkt dat één of meer samenstellende delen hiervan voorzien zijn van een dempende laag (21-25).

13. Element volgens conclusie 12, daardoor gekenmerkt dat de voornoemde dempende laag (21-25) volgens één van volgende of een combinatie van twee of meer van volgende mogelijkheden is uitgevoerd : - als een dempende bekleding (21) op het membraan (3), bij voorkeur aan de zijde die naar het voornoemde wanddeel (17) is gericht; - gedeeltelijke of geen bekleding op het membraan om hogere frekwenties te bevorderen; - als een dempende bekleding (25) die op het voornoemde wanddeel (17) is aangebracht aan de zijde die naar het membraan (3) is gericht; - in het geval dat het wanddeel (17) is voorzien van een verzwarend lichaam (24), als een dempende laag (25) die zich aan de zijde van dit lichaam (24) bevindt die naar het membraan (3) is gericht.

14. Element volgens één van de conclusies 12 of 13, daardoor gekenmerkt dat de dempende laag (21-25) bestaat uit een elastisch materiaal, meer speciaal silicone, siliconerubber of een elastomeer, bij voorkeur met een dikte van de orde van grootte van 1 mm.

15. Element volgens één van de voorgaande conclusies, daardoor gekenmerkt dat het membraan (3) bestaat uit een drager (4) gevormd uit een dunne metalen plaat en een daarop bevestigd piëzo-elektrisch element (5) in de vorm van een piëzo-kristal.

16. Element volgens één van de voorgaande conclusies, daardoor gekenmerkt dat het membraan (3) aan zijn randen is bevestigd op een kraag (10) die in de behuizing (2) is voorzien, door middel van lijm (11), bij voorkeur een elastische lijm.

17. Element volgens één van de conclusies 1, 2 of 3, daardoor gekenmerkt dat de behuizing (2) een behuizingsdeel (7) omvat met een voorwand (8) die een verzwaard en/of verdikt wanddeel (17) vertoont dat zich op een geringe afstand (Dl) van het membraan (3) bevindt, en met een zijwand (9) die voorzien is van een kraag (10) waarop het membraan (3) is bevestigd; dat minstens rond dit wanddeel (17) een kamer (18) is gevormd die dieper is dan de voornoemde afstand (Dl), waarbij ter plaatse van deze kamer (18) openingen in de voorwand (8) zijn aangebracht; en dat op het membraan (3) een dempende laag (21) is aangebracht; dat de behuizing (2) aan de achterzijde is voorzien van een afdekplaatje (16) dat is voorzien van aansluitmiddelen (6).