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Die
Erfindung betrifft eine akustische Wiedergabevorrichtung sowie ein
Verfahren zur Erzeugung von Schall.
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Heutzutage
sind Biegewellen-Lautsprecher bekannt, bei denen ein geeigneter
Schwingungskörper, der insbesondere eine Membran ist, durch
einen Schwingungsanreger, z. B. eine Schwingspule, aus seiner Ruhelage
gebracht wird. Unter einem Schwingungskörper ist ein flächenförmiger,
selbsttragender, leichter und biegsteifer Körper zu verstehen,
der zu Schwingungen anregbar ist. Dabei breitet sich eine so genannte
Biegewelle über die Fläche des Schwingungskörpers
aus und erzeugt dadurch Luftdruckveränderungen, die das
menschliche Ohr als Schall wahrnimmt.
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Bei
den herkömmlichen Lautsprechern spielen die Materialeigenschaften
des Schwingungskörpers eine entscheidende Rolle bei der
Qualität des Klangs. Das Material des Schwingungskörpers
muss biegesteif und schwingungsfähig sein, um eine Ausbreitung
der Biegewellen zu ermöglichen. Geeignete Materialien,
die zu einer Biegewellenschwingung angeregt werden können,
sind z. B. Glas, Holz, Kunststoff und Metall. Ungeeignete Materialien,
die starke Dämpfeigenschaften aufweisen und sich nicht
in einer Biegewellenschwingung anregen lassen, sind hingegen z.
B. Textilstoffe.
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Aus
der
DE 484 872 ist eine
Einrichtung für eine akustische Schaufensterreklame bekannt.
Dabei ist eine als Schwingungsanreger ausgebildete Schwingspule
mit einem als Schaufensterscheibe ausgebildeten Schwingungskörper
fest verbunden. Mittels einer Steuereinheit wird die Schwingspule
zu Schwingungen angeregt, die auf die Schaufensterscheibe übertragen
werden. Dabei strahlt die Schaufensterscheibe ein hörbares
Klangspektrum ab. Mittels eines oder mehrerer Schwingungsan reger
lässt sich auch ein aus einem anderen Werkstoff gefertigter
Schwingungskörper zum Schwingen und dadurch zum Abstrahlen
eines Klangspektrums bringen. So lassen sich beispielsweise aus
Holz oder aus Kunststoff gefertigte plattenförmige Schwingungskörper zum
Schwingen anregen. Eine derartige akustische Wiedergabevorrichtung
wird auch als Flächenlautsprecher bezeichnet. Einer oder
mehrere dieser Flächenlautsprecher lassen sich beispielsweise
in die Einrichtung eines Raumes als Wand- oder Deckenverkleidung
integrieren. Auf diese Weise ist eine Platz sparende akustische
Wiedergabevorrichtung realisierbar.
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In
der
DE 20 2004
020 473 U1 ist ein Schwingungskörper für
einen Flächenlautsprecher beschrieben, der zumindest einen
Teilbereich zum Einkoppeln eines differenzierten akustischen Signals
aufweist. Dies wird insbesondere durch eine Variation der Dicke
und/oder des Werkstoffs des Schwingungskörpers erreicht.
Jedem Teilbereich des Schwingungskörpers mit unterschiedlichen
akustischen Eigenschaften werden anschließend eine oder mehrere
Schwingspulen als Schwingungsanreger zugeordnet. Dem Flächenlautsprecher
ist weiterhin eine Steuereinheit zugeordnet, die jede Schwingspule
durch ein Teilbandsignal eines in Teilbandsignale zerlegten Frequenzbandsignals
ansteuert. Somit wird jeder Teilbereich des Schwingungskörpers
mit dem Schwingungsspektrum beaufschlagt, für dessen Wiedergabe
er optimal ausgebildet ist. Eine derartige Aufspaltung eines Frequenzbandsignals
in mehrere Teilbandsignale mittels einer Frequenzweiche findet bei
Mehrwegelautsprechern seit Jahrzehnten Anwendung. Der Unterschied
zwischen einem konventionellen Mehrwegelautsprecher und dem beschriebenen
Flächenlautsprecher liegt insbesondere darin, dass die
Mischung des Klangspektrums bei einem Mehrwegelautsprecher in der
Luft und bei einem Flächenlautsprecher im Schwingungskörper
geschieht.
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Der
Einsatzbereich der herkömmlichen Flächenlautsprecher
ist Nachteiligerweise durch ihre Einbautiefe beschränkt.
Mit Hilfe von elektrodynamischen Schwingspulen lassen sich insbe sondere
keine ultraflachen Lautsprecher bauen, die bei Hörgeräten
oder ultraflachen Mobiltelefonen Anwendung finden können,
dessen Dicke im Bereich von wenigen Millimetern liegt und insbesondere
wenigstens kleiner als 1 mm ist.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine akustische Wiedergabevorrichtung
anzugeben, welche die Ausbildung eines ultraflachen Lautsprechers
ermöglicht. Der Erfindung liegt weiterhin die Aufgabe zugrunde,
ein Verfahren zur Erzeugung von Schall mittels einer solchen akustischen
Wiedergabevorrichtung anzugeben.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch
eine akustische Wiedergabevorrichtung, insbesondere Flächenlautsprecher,
umfassend eine Mehrzahl von Schwingungsanregern und eine Steuereinheit
zur Ansteuerung der Schwingungsanreger, die dafür eingerichtet
ist, durch eine koordinierte Bewegung wenigstens der Oberseiten
der Schwingungsanreger diese in ihrer Gesamtheit nach Art eines
sich ändernden Schwingungsfeldes ausgelenkt werden, so
dass durch das Schwingungsfeld eine Schallschwingung erzwungen wird.
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Die
Erfindung basiert auf der Überlegung, dass zum Erzeugen
von Schallwellen lediglich eine Mehrzahl von Schwingungsanregern
erforderlich ist, die gemeinsam ein Schwingungsfeld oder Wellenmuster,
das mehrere insbesondere in einem definierten Muster angeordneten
Oberseiten der Schwingungsanreger umfasst, bilden und die durch
ihre über die Steuereinheit kontrollierte Auf- und Abbewegung eine
Biegewelle wenigstens im Schwingungsfeld nachahmen. Hierbei sind
die Schwingungsanreger insbesondere sehr nahe aneinander angeordnet,
so dass sie im Wesentlichen eine geschlossene Oberfläche – das
Schwingungsfeld – bilden. Bei der nachgeahmten Biegewelle
handelt es sich nicht um eine "natürlich" angeregte Biegewellenschwingung
eines Festkörpers, die durch die Eigenschaften des Festkörpers
zustande kommt, sondern um eine angesteuerte erzwungene Biegewelle
im Schwingungsfeld, die ein Produkt der koordinierte Bewegung der Mehrzahl
von Schwingungsanregern ist.
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Die
erzwungene Biegewellenschwingung ruft eine Druckschwankung in der
die akustische Wiedergabevorrichtung umgebende Luft hervor und erzeugt
dadurch eine Schallwelle, die vom menschlichen Ohr wahrgenommen
werden kann. Man kann dieses Funktionsprinzip auch als Biegewellen-Emulation
bezeichnen. Jeder Schwingungsanreger ist in der Lage, insbesondere
seine Oberseite nach oben oder unten zu bewegen. Die Steuereinheit
rechnet ein akustisch wiederzugebendes Signal in mechanische Impulse
für die Schwingungsanreger um und gibt die Impulse an die
Schwingungsanreger weiter. Die Steuereinheit steuert die Schwingungsanreger einzeln
oder in Gruppen an, um die Biegewellenschwingung nachzubilden. Die
Steuereinheit kann außerdem dafür ausgebildet
sein, die Schwingungsanreger einzeln oder gruppenweise zu Schwingungen
unterschiedlicher Frequenz anzuregen.
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Ein
entscheidender Vorteil dieser Ausgestaltung ist darin zu sehen,
dass als Schwingungsanreger mehrere Bauelemente herangezogen werden können,
deren Ausgestaltung in miniaturisierter Form möglich ist.
Als Schwingungsanreger können beispielsweise Piezo-Aktoren,
miniaturisierte elektrodynamische Antriebe (Schwingspulen), deren
Einbautiefewenige Millimeter beträgt, oder sogar Antriebe auf
organischer Basis, welche die gesteuerte Kontraktion und Entspannung
einer Muskelfaser imitieren, eingesetzt werden. Weiterhin können
die einzelnen Schwingungsanreger direkt auf einen Chip integriert
werden. Somit ist es möglich, eine akustische Wiedergabevorrichtung
"on-chip" zu realisieren.
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In
einer bevorzugten Weiterbildung sind die Schwingungsanreger gemeinsam
an einen Schwingungskörper zur Erzeugung einer Biegewellenschwingung
im Schwingungskörper angekoppelt. Das von den Schwingungsanregern
erzeugte Schwingungsfeld wird daher durch die mechanische Ankopplung
zwangsweise auf den Schwingungskörper übertragen.
Die Oberseiten der Schwingungsanreger können hierbei auch
punktförmige Ankopplungspunkte mit dem Schwingungskörper
darstellen. Der Schwingungskörper kann eine konventionelle, biegesteife
Membran sein, welche die akustischen Eigenschaften der akustischen
Wiedergabevorrichtung begünstigt. Der Schwingungskörper
kann jedoch auch ein Textilgewebe sein, das über den Schwingungsanregern
gespannt ist und zumindest teilweise mit diesen verbunden ist, so
dass durch die koordinierte Schwingbewegung der vielen Schwingungsanreger
eine Biegewellenschwingung im Textilgewebe simuliert wird. So lässt
sich die akustische Wiedergabevorrichtung beispielsweise auf oder
in einem Kleidungsstück anbringen. Auf diese Weise kann
die akustische Wiedergabevorrichtung, z. B. ein MP3-Abspielgerät,
direkt in das Kleidungsstück, beispielsweise eine Jacke,
integriert werden. Aufgrund der vergleichsweise starken Dämpfungseigenschaften
des Textilgewebes bietet sich eine Anordnung der akustischen Wiedergabevorrichtung
im Kragenbereich der Jacke an, um eine akustische Wiedergabe mit
hinreichender Lautstärke zu erreichen. Bei geeignet gewählten
Materialeigenschaften des Schwingungskörpers kann dieser
zudem als Wasser- und/oder Staubschutz für die akustische
Wiedergabevorrichtung dienen. Ein weiterer Vorteil dieser Ausgestaltung
ist darin zu sehen, dass dank des Schwingungskörpers keine
besonders dichte, also einander unmittelbar benachbarte Anordnung
der Schwingungsanreger notwendig ist. Viel mehr ist es ausreichend,
dass durch eine Anzahl voneinander beabstandete Schwingungsanreger
an mehreren Stellen punktuell zum Schwingen angeregt werden. Dies stellt
also eine kostengünstige Ausgestaltung dar, bei der weniger
Schwingungsanreger zur Ausbildung der akustischen Wiedergabevorrichtung
als im Falle ohne Schwingungskörper erforderlich sind.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform sind die Schwingungsanreger
nach Art einer Matrix angeordnet. Die Schwingungsanreger weisen
jeweils beispielsweise eine rechteckige und insbesondere eine quadratförmige
Oberseite auf, die ein Element des Schwingungsfeldes bildet. Dank
der gleichmäßigen Anordnung der Schwingungsanreger
ist hierbei die Simulation und die Ansteuerung der Ausbreitung einer
Biegewelle einfach durchzuführen. Zudem ermöglicht
ein matrixartiges Schwingungsfeld eine dichte Anordnung der einzelnen
Schwingungsan reger, die für die Nachahmung der Biegewellenschwingung
im Falle ohne einen Schwingungskörper besonders vorteilhaft
ist.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform sind die Schwingungsanreger kreis-
und/oder ellipsenförmig und/oder abgerundet ausgebildet
und insbesondere konzentrisch ineinander liegend angeordnet. Die
Schwingungsanreger bilden also ein Muster, das insbesondere aus
mehreren konzentrischen Kreisen besteht, die je nach Anwendungsfall
sehr nahe aneinander oder entfernt voneinander angeordnet sind. Bei
dieser Ausführungsform lässt sich durch eine geringe
Anzahl von Schwingungsanregern eine besonders große Fläche
zu einer Biegewellenschwingung anregen. Durch die kreisförmige
Anordnung der Schwingungsanreger lassen sich hierbei konzentrische
Biegewellen simulieren, die etwa die gleichmäßigen,
konzentrischen Wellen an der Oberfläche des Wassers darstellen,
wenn ein Stein ins Wasser geworfen wird.
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Um
eine Ausbreitung einer Biegewelle auf einfache Weise simulieren
zu können, ist die Steuereinheit dafür ausgebildet,
benachbarte Schwingungsanreger in entgegengesetzten Richtungen, also
mit einem Phasenversatz von 180° zu bewegen. Beispielsweise
werden zwei benachbarte Schwingungsanreger jeweils mit einem sinusförmigen
Signal mit der gleichen Frequenz angesteuert, wobei beide Sinus-Signale
um eine Halbperiode π zueinander versetzt sind. Anstelle
der einzelnen Schwingungsanreger können auch benachbarte
Gruppen von Schwingungsanregern Bewegungen in entgegengesetzten
Richtungen ausführen. Durch die gleichzeitige Bewegung
nach oben und unten von benachbarten Schwingungsanregern in entgegengesetzten
Richtungen, die dann jeweils von einem Richtungswechsel gefolgt
ist, lassen sich annährend mehrere dynamische erzwungene
Biegewellen im Schwingungsfeld bzw. im Schwingungskörper über die
Zeit nachahmen.
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Vorzugsweise
sind die Schwingungsanreger Piezo-Aktoren. Jeder Piezo-Aktor umfasst
mindestens eine piezoelektrische Keramik oder einen piezoelektrischen
Kristall, der beim Anlegen einer elektrischen Spannung in sehr kurzen
Zeitabständen sein Volumen verändert. Durch mehrmaliges
Wiederholen dieses Vorgangs werden die Piezo-Aktoren zum Schwingen
gebracht. Wenn die Schwingungsanreger mit einem Schwingungskörper
verbunden sind, wird dieser somit ebenfalls in Schwingungen versetzt.
Da sämtliche Piezo-Aktoren gleichzeitig angesteuert werden, überlagern
sich die auf den Schwingungskörper übertragenen
Schwingungen. Diese Schwingungen werden als Klangspektrum vom Schwingungskörper
abgestrahlt. Über die Eigenschaften der einzelnen Piezo-Aktoren,
insbesondere über deren Größe und deren
Werkstoff, lässt sich der wiederzugebende Frequenzbereich
vorgeben. Dank der Piezo-Aktoren lässt sich die akustische
Wiedergabevorrichtung mit sehr geringen Abmessungen realisieren. Zudem
sind Piezo-Aktoren einfach und kostengünstig herstellbar.
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Alternativ
oder in Kombination mit den Piezo-Aktoren umfassen die Schwingungsanreger
bevorzugt zweiarmige Hebelanordnungen, an deren Enden eine Oberseite
ausgebildet und/oder angekoppelt ist. Der Dreh- und Unterstützungspunkt
einer solchen Hebelanrodung ist hierbei insbesondere mittig positioniert,
d. h. die Hebelanordnung weist zwei vorzugsweise gleich lange Hebelelemente
auf. Zumindest die Distalenden beider Hebelelemente sind zur Aufnahme
zweier das Schwingungsfeld bildenden Oberseiten vorgesehen, die
beim Schwenken der Hebelanordnung um ihren Drehpunkt in gegenläufigen
Richtungen nach oben bzw. nach unten verfahren werden. Eine Hebelanordnung
weist also wenigstens zwei solche Oberseiten auf, deren Bewegung
koordiniert ist. Die Oberseiten bilden das Schwingungsfeld oder
sind Ankopplungs- bzw. Angriffspunkte an einem Schwingungskörper,
dessen Bewegung durch die Bewegung der Oberseiten koordiniert ist.
Somit kann die Anzahl der Schwingungsanreger, die von der Steuereinheit
angesteuert werden, deutlich reduziert werden.
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Eine
besonders preiswerte akustische Wiedergabevorrichtung, die zudem
einfach zum Ansteuern ist, liegt vor, wenn die Schwingungsanreger
ein digitales Verhalten aufweisen. Dabei sind die Schwingungsanreger
bevorzugt dafür ausgebildet, zwei definierte Stellungen
anzunehmen. Die Schwingungsanreger kennen dann nur im Wesentlichen zwei
Zustände, nämlich den Ruhezustand und der Arbeitszustand
als aus und an, wodurch eine angenähert optimale Biegewelle
erzeugt wird. Um einen möglichen hohen Klirrfaktor als
negative Folge des digitalen Verhaltens der Schwingungsanreger zu
vermeiden, ist in diesem Fall insbesondere der Einsatz eines Schwingkörpers
vorgesehen, der den Klirrfaktor dämpft.
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Alternativ
ist die Steuereinheit dafür ausgebildet, eine Auslenkung
des Schwingungsanregers einzustellen. Hierbei kann jeder Schwingungsanreger
mehrere Hubstufen zwischen den beiden definierten Stellungen aufweisen
oder er kann auch vollständig analog funktionieren. Bei
dieser kontinuierlichen Auslenkung lässt sich ein akustisches
Signal erzeugen, das durch eine sehr hohe Qualität gekennzeichnet
ist.
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Vorteilhafterweise
sind die Schwingungsanreger in Abhängigkeit von den zu
erzeugenden Frequenzen der Schallschwingung in unterschiedliche Gruppen
unterteilt. Jede dieser Gruppen ist insbesondere dafür
vorgesehen, ein akustisches Signal in einem begrenzten Frequenzbereich
wiederzugeben. Somit sind die Schwingungsanreger für die
unterschiedlichen Frequenzbereiche unterschiedlich aufgebaut und
dimensioniert, um die Wiedergabe des Signals der entsprechenden
Frequenz zu begünstigen.
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Zweckdienlicherweise
weisen die Schwingungsanreger unterschiedliche Größen
auf. Da ein tiefer Ton, d. h. eine Schallwelle mit einer niedrigen Frequenz
vom menschlichen Ohr schwächer wahrgenommen wird als ein
hoher Ton, müssen tiefe Töne in der Regel mit
einer höheren Lautstärke erzeugt werden. Somit
sind die Schwingungsanreger, die für die Wiedergabe von
tiefen Tönen vorgesehen sind, beispielsweise größer
ausgebildet als die Schwingungsanreger für die hohen Töne,
damit sie mit einer höheren Amplitude als die Schwingungsanreger
für die hohen Töne schwingen können.
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Weiterhin
von Vorteil ist, dass eine Trägerplatte vorgesehen ist,
auf die sich zumindest ein Teil der Schwingungsanreger stützt.
Eine Trägerplatte ist insbesondere zum Abstützen
der größeren bzw. schwereren Schwingungsanreger
für tiefe Frequenzen vorgesehen. Die Trägerplatte
ist beispielsweise eine Leiterplatte, über die bevorzugt
zugleich auch die Ansteuerung der Schwingungsanreger vorgenommen
wird. Bei den Schwingungsanregern für hohe Frequenzen kann
beispielsweise aus Platz und Gewicht sparenden Gründen
auf eine Trägerplatte verzichtet werden, wobei die Schwingungsanreger innerhalb
einer Gruppe untereinander verbunden sind und ihr Eigengewicht genutzt
wird, um sie zum Schwingen anzuregen.
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Die
zweitgenannte Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst
durch ein Verfahren zur Erzeugung von Schall, bei dem insbesondere
eine Mehrzahl von Schwingungsanregern von einer Steuereinheit derart angesteuert
wird, dass durch eine koordinierte Bewegung der Schwingungsanreger
ein Schall erzeugt wird.
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Die
bereits angegebenen Vorteile und bevorzugten Ausgestaltungen sind
sinngemäß auf dieses Verfahren zu übertragen.
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Die
weitere Erläuterung der Erfindung erfolgt anhand der in
der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele. Hierin
zeigen:
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1 eine
Draufsicht auf eine akustische Wiedergabevorrichtung mit mehreren
Schwingungsanregern, die nach Art einer Matrix angeordnet sind,
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2 eine
Draufsicht auf eine akustische Wiedergabevorrichtung mit mehreren
Schwingungsanregern, die konzentrische Kreise bilden,
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3 einen
Längsschnitt durch eine akustische Wiedergabevorrichtung
mit Schwingungsanregern, die ein analoges Verhalten aufweisen,
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4 einen
Längsschnitt durch eine akustische Wiedergabevorrichtung
mit Schwingungsanregern, die ein digitales Verhalten aufweisen,
und
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5 eine
Seitenansicht auf eine Anordnung von Schwingungsanregern, die zweiarmige
Hebel umfassen.
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In
den Figuren sind gleich wirkende Teile mit den gleichen Bezugszeichen
versehen.
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In 1 ist
eine akustische Wiedergabevorrichtung 2 (Lautsprecher)
dargestellt, weiterhin auch Schallgeber genannt, die im Wesentlichen
eine Mehrzahl von in einer zweidimensionalen Matrix angeordneten
Schwingungsanregern 4 sowie eine Steuereinheit 6,
die über Steuerleitungen 8 die Schwingungsanreger 4 ansteuert,
umfasst. Die exemplarische matrixartige Anordnung gemäß 1 umfasst
5 × 5 gleich große Schwingungsanreger 4. Jeder
der Schwingungsanreger 4 weist eine in diesem Ausführungsbeispiel
quadratförmige Oberseite 10 auf. Die Oberseiten 10 der
Schwingungsanreger 4 sind sehr eng aneinander angeordnet,
so dass sie im Ruhezustand der Schwingungsanreger 4 ein
in sich geschlossenes Schwingungsfeld 12 bilden.
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Die
Schwingungsanreger 4 werden von der Steuereinheit 6 derart
angesteuert, dass durch die alternierende Auf- und Abbewegung benachbarter Schwingungsanreger 4 oder
benachbarter Gruppen von Schwingungsanregern 4 eine erzwungene
transversale Biegewelle im Schwingungsfeld 12 emuliert wird.
Die schwingenden Schwingungsanreger 4 erzeugen eine Druckdifferenz
in der Luft, so dass ihre Schwingung an die Luftmoleküle über
dem Schwingungsfeld 12 übertragen wird. Somit
wird vom Schwingungsfeld 12 eine Schallwelle in die Luft
abgestrahlt. Die Steuereinheit 6 rechnet also ein wiederzugebendes
Audiosignal so auf die Schwingungsanreger 4 um, dass die
Gesamtheit ihrer Bewegung in der Luft den entsprechenden Schall
darstellt, der dann vom menschlichen Ohr als entsprechendes Schallereignis
wahrgenommen wird. Durch die dichte Anordnung der Schwingungsanreger 4 lässt
sich eine optimale Anregung der Luftmoleküle erreichen, so
dass eine gute Wiedergabe des wiederzugebenden Klangspektrums erreicht
wird.
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Die
akustische Wiedergabevorrichtung 2 umfasst weiterhin eine
hier nicht angezeigte Energiequelle, welche die zum Anregen der
Schwingungsanreger 4 erforderliche elektrische Energie
zur Verfügung stellt. Aus Gründen der Miniaturisierung
des Schallgebers 2 ist diese Energiequelle insbesondere eine
Flachbatterie oder eine Solarzelle.
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Das
gesamte Schwingungsfeld 12 kann außerdem mit einem
in 1 hier nicht näher gezeigten Schwingungskörper 14 (s. 3) überzogen
sein. Der Schwingungskörper 14 kann z. B. eine
Schutzfolie sein, die Wasser- oder staubdicht das Schwingungsfeld 12 abschließt
und andererseits die akustischen Eigenschaften des Schallgebers 2 begünstigt. Der
Schwingungskörper 14 ist beispielsweise aus einem
biegesteifen Material ausgebildet, um von den Schwingungsanregern 4 zu
Biegewellenschwingungen angeregt zu werden. Alternativ ist der Schwingungskörper 14 beispielsweise
ein Textilgewebe, das zumindest mit einigen der Oberseiten 10 verbunden ist,
so dass bei der wellenartigen Bewegung des Schwingungsfeldes 12 das
Textilgewebe ebenfalls eine wellenartige Form annimmt und zum Schwingen gebracht
wird.
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Bei
dem in 1 dargestellten Schallgeber 2 weisen
alle Schwingungsanreger 4 gleich groß ausgebildeten
Oberseiten 10 sowie die gleiche Einbautiefe auf. Die Schwingungsanreger 4 können
alternativ eine unterschiedliche Größe aufweisen,
d. h. die Oberflächen 10 sind unterschiedlich
groß dimensioniert oder die Einbautiefe der unterschiedlichen Schwingungsanreger 4 variiert.
Bei unterschiedlich groß ausgebildeten Schwingungsanregern 4 ist
es von Vorteil, dass Schwingungsanreger 4 mit der gleichen
Größe gruppiert sind und zur Wiedergabe eines akustischen
Signals in einem begrenzten Frequenzbereich vorgesehen sind. Hierbei
ist insbesondere zu berücksichtigen, dass das menschliche
Ohr für niedrige Frequenzen vergleichsweise unempfindlich
ist. Um niedrige Frequenzen hinreichend laut wahrnehmen zu können,
müssen sie im Klangspektrum daher mit einer hinreichend
hohen Amplitude wiedergegeben werden. Dies bedeutet, dass die Schwingungsanreger 4,
die für die niedrigen Frequenzen vorgesehen sind, mit einer
höheren Amplitude schwingen müssen als die Schwingungsanreger 4 für
die hohen Frequenzen, was über die Dimensionierung der Schwingungsanreger 4 erreicht
werden kann. Somit ist es vorteilhaft die Schwingungsanreger 4 für
niedrige Frequenzen bzw. tiefe Töne mit einer größeren Oberseite 10 und/oder
länger auszubilden als die Schwingungsanreger 4 für
höhere Frequenzen bzw. höhere Töne.
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Darüber
hinaus kann der Schallgeber 2 außerdem eine hier
nicht gezeigte Trägerplatte umfassen, auf der die Schwingungsanreger 4 angeordnet sind.
Insbesondere die großen Schwingungsanreger 4 für
die tiefen Töne brauchen eine solche Trägerplatte,
um sich beim Schwingen abzustützen. Bei den kleineren Schwingungsanregern 4 für
die hohen Töne kann zum Schwingen ihr Eigengewicht benutzt werden,
ohne dass sie sich gegen eine Trägerplatte abstützten
müssen.
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Als
Schwingungsanreger 4 können beispielsweise Piezo-Aktoren,
elektrodynamische Antriebe oder sogar organische Antriebe eingesetzt werden.
In diesem Ausführungsbeispiel sind die Schwingungsanreger 4 aus
Piezo-Aktoren gebildet, die leicht und günstig herzustellen
sind. Die Piezo-Aktoren weisen eine Höhe auf, die geringer
ist als 1 mm, wodurch ein ultraflacher Schallgeber 2 realisiert
ist. Zudem kann die beschriebene akustische Wiedergabevorrichtung 2 direkt
auf einem Chip angebracht sein, wobei beispielsweise der Chip selbst als
Schwingungskörper benutzt wird. Der Schallgeber 2 ist
somit insbesondere für den Einsatz in Scheckkarten und/oder
auf dem Chip von ultraflachen Mobiltelefonen geeignet. Im Falle
einer Scheckkarte mit einem integrierten Schallgeber 2 lässt
sich z. B. an einen Benutzer vor oder während eines Abhebevorgangs
von einem Bankkonto akustische Information übermitteln.
Dies kann beispielsweise der gesprochene Hinweis sein, dass bei
einem Abhebevorgang dreimal hintereinander eine falsche PIN eingegeben
wurde und die Scheckkarte momentan für weitere Abhebungsversuche
nicht einsatzfähig ist. Ebenso kann der Geldbetrag einer
Geldkarte über Sprachausgabe dem Benutzer mitgeteilt werden.
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Der
Schallgeber 2 kann außerdem als ein medizinisches
Hörgerät ausgebildet sein. Das Hörgerät
kann unter der Haut implantiert sein, wobei die Schwingungsanreger 4 insbesondere
direkt auf einem Schädelknochen positioniert sind, um diesen
in Schwingungen zu versetzen.
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Ein
weiteres mögliches Einsatzgebiet des Schallgebers 2 ist
im Handel zur Ausgabe von produktrelevanten Informationen. Der Schallgeber 2 kann
dabei in Form einer Klebefolie auf eine Verpackung angebracht werden
oder beim Herstellen der Verpackung in diese direkt integriert werden.
Beispielsweise können auf einer Verpackung auch ein oder
mehrere solcher Schallgeber 2 vorgesehen sein, die beim
Betätigen insbesondere Informationen über das
Produkt auf unterschiedlichen Sprachen ausgeben können.
Beim Aktivieren eines der Schallgeber 2 wird einem Kunden
z. B. der Preis des Produkts, seine Anwendung oder seine Zusammensetzung
akustisch mitgeteilt.
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Darüber
hinaus kann der Schallgeber 2 in Kleidungsstücken
integriert sein, da er insbesondere in der Lage ist, ein Textilgewebe
zu einer Biegewellenschwingung anzuregen. Die Schwingungen der Schwingungsanreger 4 und
des mit ihm verbundenen Textilgewebes reichen hierbei aus, um ein
hörbares Klangspektrum zu generieren. Dabei wird lediglich
der direkt an die Schwingungsgeber 4 angrenzende Bereich
des Textilgewebes zu Schwingungen angeregt. Ein derartiger Schallgeber 2 lässt
sich beispielsweise in einem Kragen eines als Jacke ausgeführten
Kleidungsstückes integrieren. Auf diese Weise ist vorteilhafterweise
eine nahe Positionierung an den Ohren des Trägers der Jacke
gewährleistet.
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In 2 ist
eine alternative Ausführung der Schwingungsanreger 4 eines
weiteren Schallgebers 2 dargestellt. Ein mittlerer Schwingungsanreger 4a ist
kreisförmig ausgebildet und von mehreren ringförmigen
Schwingungsanregern 4b umschlossen, die zueinander konzentrisch
angeordnet sind. Beim Anregen dieser Schwingungsanreger 4a, 4b lassen
sich kreisförmige Biegewellen simulieren, die sich vom Zentrum
des Schwingungsfeldes 12 gleichmäßig
in Richtung zum äußeren Rand des Schwingungsfeldes 12 ausbreiten.
Solche insbesondere kreis- und/oder ringförmigen und/oder
elliptischen und/oder abgerundeten Schwingungsanreger 4a, 4b können
beispielsweise mittels gestanzter Piezo-Folie erreicht werden. Die
Steuereinheit 6 kann auch hier die Schwingungsanreger 4a, 4b einzeln
oder wahlweise in Gruppen ansteuern.
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In 3 ist
die Funktionsweise eines Schallgebers 2 gezeigt, dessen
Schwingungsanreger 4 ein analoges Verhalten aufweisen,
so dass ihre Auslenkung von einer Ruhelage eingestellt werden kann. Jeder
der Schwingungsanreger 4, der beispielsweise ein aus einem
Piezokristall gebildeten Piezo-Aktor ist, kann angesteuert von der
Steuereinheit 6 eine beliebige Position zwischen einer
Hochstellung 16a und einer Tiefstellung 16b annehmen.
Ein an die Schwingungsanreger 4 angekoppelter Schwingungskörper 14 erfährt
somit eine erzwungene Bewegung, durch die er eine Biegewellenschwingung
ausführt. Der Schwingungskörper 14 ist
der Übersichtlichkeit halber ein Stück über
den Schwingungsanregern 4 gezeichnet, in Wirklichkeit ist
er jedoch zumindest teilweise an den Schwingungsanregern 4 befestigt.
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In
dem Ausführungsbeispiel gemäß 3 schwingen
alle angezeigten Schwingungsanreger 4 mit der gleichen
Frequenz, die aktuell wiedergegeben werden soll. Einzeln oder gruppenweise
können die Schwingungsanreger 4 derart von der
Steuereinheit 6 angesteuert sein, dass sie auch mit unterschiedlichen
Frequenzen schwingen. Insbesondere sind die Schwingungsanreger 4 in
Gruppen unterteilt, die jeweils für die akustische Wiederhabe
eines begrenzten Frequenzbereichs vorgesehen sind. Bei der Festlegung
der Frequenzbereiche kann die Resonanzfrequenz der Piezokristalle
berücksichtigt und gezielt genutzt wird, um die Schwingungsamplituden der
Schwingungsanreger 4 zu vergrößern. Möglich ist
also, dass für die unterschiedlichen Frequenzbereiche unterschiedlich
große Schwingungsanreger 4 vorgesehen sind, deren
Resonanzfrequenz derart gewählt ist, dass sie insbesondere
im wiederzugebenden Frequenzbereich liegt.
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Eine
weitere Arbeitsweise der Schwingungsanreger 4 eines Schallgebers 2,
die ein digitales Verhalten aufweisen, ist aus 4 zu
entnehmen. Die Schwingungsanreger 4 sind in diesem Ausführungsbeispiel
Piezo-Stacks, d. h. sie bestehen aus mehreren aufeinander gestapelten
Einzel-Piezo-Kristallen. Bei Anlegen einer Spannung dehnen sich
die Kristalle aufgrund des Piezo-Effekts aus. Einander benachbarte
Piezo-Stacks sind jeweils um 180° zueinander gedreht montiert.
Somit schieben alle zwei benachbarte Piezo-Stacks in entgegengesetzten
Richtungen, der eine nach unten und der andere nach oben.
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Untereinander
können die Schwingungsanreger 4 gemäß 4 beispielsweise
mit einer hier nicht gezeigten elastischen Folie verbunden sein,
die eine Luftdurchströmung der Zwischenräume verhindert
und zudem die akustischen Eigenschaften und somit den Wirkungsgrad
des Schallgebers 2 verbessert.
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Der
Schallgeber 2 zeichnet sich durch seine sehr kleine Einbautiefe
aus, die insbesondere weniger als 1 mm betragen kann, so dass er
als ein miniaturisierter ultraflacher Schallgeber ausgebildet werden
kann. Das Prinzip der erzwungenen Biegewellenschwingung kann auch
zur Erzeugung von sehr lauten Tönen eingesetzt werden.
Verwendet man beispielsweise Piezo-Stacks mit einer Ansteuerungsspannung
von 50 Volt oder mehr, so ist es möglich, einen Schalldruck
von mehr als 120 dB zu erzeugen und somit zur Beschallung beispielsweise
von großen Arenen oder Sportstätten einzusetzen.
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Neben
einer Ausbildung der Schwingungsanreger 4 in Form von in
einer Matrix angeordneten Piezo-Aktoren, wie in 1 gezeigt,
oder in Form von ringförmigen Piezofolien, wie aus 2 ersichtlich,
ist es auch möglich, die Schwingungsanreger 4 als
wenigstens zweiarmige Hebelanordnungen 18 oder Hebel auszugestalten,
wie aus 5 ersichtlich ist, die ebenfalls
vorteilhafterweise in einem Muster angeordnet sind. Der Drehpunkt
D einer solchen Hebelanordnung 18 ist in diesem Ausführungsbeispiel mittig
positioniert, so dass beide Hebelelemente 20 der Hebelanordnung 18 gleich
lang sind. An den beiden Distalenden des Hebelanordnung 18 sind
zwei Hebelarme 22 mit je einer Oberseite 10, die
ein Teil des Schwingungsfelds 12 ist, angeordnet. Es können auch
beispielsweise mehr als zwei solcher die Oberseiten 10 tragenden
Hebelarme 22 entlang der Hebelelemente 20 parallel
zueinander angeordnet sein, so dass ein Hebelement 18 durch
mehrere Oberseiten 10 gekennzeichnet ist. Beim Schwenken
der Hebelanordnung 18 gemäß 5 um
den Drehpunkt D führt die eine Oberseite 10 eine
Aufbewegung und die andere Oberseite 10 eine Abbewegung
aus, so dass die Hebelanordnung 18 die Kippbewegung an
einen Schwingungskörper 14, beispielsweise eine
biegsame Folie, weitergibt und somit die Oberfläche des Schwingungskörpers 14 zu
einer erzwungenen Biegewellenschwingung anregt. Eine Hebelanordnung 18 kann
somit zwei Schwingungsanreger 4 gemäß 1 ersetzen,
wobei beim Kippen der Hebelanordnung 18 sich die Oberseiten 10 paarweise
immer in entgegengesetzten Richtungen bewegen. Eine Schwingungsamplitude
A des Schwingungsfeldes 12, d. h. ein Abstand A zwischen
zwei solchen benachbarten Oberseiten 10 ist hierbei insbesondere über
die Länge der Hebelelemente 20 in Kombination mit
einem Schwenkwinkel α der Hebelanordnung 18 einstellbar.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 484872 [0004]
- - DE 202004020473 U1 [0005]