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Die
Erfindung betrifft einen magnetostatischen Lautsprecher, insbesondere
einen Tieftonlautsprecher. Zentrales Ziel von Tieftonlautsprechern
ist die Realisierung von akustisch wirksamem Verschiebevolumen,
welches sich aus dem Produkt von wirksamer schallabstrahlender Fläche (Hubmembranfläche Sd)
und Verschiebeweg derselben in Richtung der Flächennormalen (Hub X) ergibt.
Für eine
effektive Schallabstrahlung ist also wenigstens einer der Parameter
zu maximieren. Für
Anwendungen mit hoher Lautstärke,
z.B. zur öffentlichen
Beschallung (PA-Betrieb)
ist die Maximierung der Hubmembranfläche gegenüber dem Verschiebeweg der Hubmembran
zu bevorzugen, um Verzerrungen durch Nichtlinearitäten der
Luft zu minimieren.
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Übliche Ausführungen
von Lautsprechern für Tieftonlautsprecher
beruhen auf einem zentralen, konzentrierten, meist elektrodynamischen
Antrieb, welcher Punkt-, kreis- oder kreisringförmig mechanisch an die schallabstrahlende
Fläche
(Hubmembran) gekoppelt ist. Der Antrieb erfolgt in einer von der Hubmembran
axial entfernten Ebene. Dies erfordert eine aufwendige radiale Zentrierung,
meist in zwei oder mehr Ebenen. Die Schallabstrahlung muss zur Erzielung
einer guten Ankopplung an die Luft (Impedanzanpassung, Erhöhung des
Strahlungswiderstands) möglichst
großflächig erfolgen,
während
der Antrieb (Schwingspule) zur Masseeinsparung deutlich kleinere
Abmessungen in radialer Ausdehnung besitzt. Dies führt in bestimmten
Frequenzbereichen dazu, dass die Hubmembran durch ihre begrenzte Steifigkeit
der Schwingspulenbewegung nicht mehr folgen kann. Dadurch ergeben
sich unerwünschte
Eigenbewegungen der Hubmembran, die Resonanzen und Verzerrungen
hervorrufen. Bei großen
Aussteuerungen und entsprechend großen Hüben verlässt die Schwingspule den Magnetspalt
teilweise oder ganz, was zu erhöhten
Verzerrungen, mechanischen und elektrischen Arbeitspunktverschiebungen
und im Extremfall zu mechanischen Schäden führt.
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Moderne
Tiefton-Lautsprecherchassis verwenden Tauchspulmagnetsysteme, die über einen Schwingspulenträger mechanisch
an der Hubmembran befestigt sind. Zur Erzielung großer Hübe ist die Schwingspule
axial entsprechend weit von der Hubmembran entfernt zu befestigen.
Dies bedingt lange Schwingspulenträger, die mit zunehmender Länge mechanisch
instabiler und schwerer werden, was wiederum eine aufwendigere Zentrierung
erfordert (
DE 40 41
858 A1 ).
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Zwischen
Hubmembranabmessungen und Schwingspulendurchmesser bzw. deren Befestigung an
der Hubmembran ist für
jede Lautsprecherchassisausführung
ein Kompromiss zu finden, der die Eigenmoden der Hubmembran wenigstens
im Arbeitsfrequenzbereich in Anzahl und Amplitude gering hält. Ein
Ausweg ist die Erhöhung
der Biegesteifigkeit der Hubmembran und die Wahl bestimmter Geometrien, um
die Eigenmoden in Bereiche außerhalb
des Arbeitsfrequenzbereiches zu verschieben. Dieses führt auch
meist zu einer Erhöhung
der wirksamen Masse der Schwingeinheit.
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Dem
Verlassen des Luftspaltes durch die Schwingspule und den Arbeitspunktverschiebungen wirken
die Federsteifigkeiten der Aufhängung
entgegen.
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Die
Auswirkungen beider Probleme lassen sich mit der Einschränkung des
Aussteuer- und Arbeitsfrequenzbereiches vermindern, allerdings ist dies
im Sinne der akustisch neutralen Wiedergabe und der kostengünstigen
Fertigung nicht erwünscht.
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Ein
weiterer Lösungsansatz
führt zu
flächig angetriebenen
Hubmembranen, was für
den Hochtonbereich mit Elektrostaten und Magnetostaten bereits erfolgreich
verwirklicht ist (
US 3,919,499 ,
US 4,210,786 ,
EP 1 489 881 A1 ,
WO 2004/017676 A1 ). Durch
die axiale Ausdehnung der Kombination von Hubmembran, Schwingspule
mit Träger
und Zentrierung (Schwingeinheit) ist eine mehrfache radiale Führung notwendig.
Diese Führungen
am oberen Hubmembranrand (Sicke) und meist zwischen Hubmembran und
Schwingspule (Zentrierspinne) sind radial ausgedehnt und deshalb
ebenfalls mit Eigenmoden behaftet, welche die Schallabstrahlung
durch Überlagerung
mit dem Nutzsignal negativ beeinflussen.
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Die
Zentrierungen stellen nichtlineare, meist progressive, Federn dar,
die zusammen mit der bestimmungsgemäß linearen Antriebskraft Nichtlinearitäten im akustischen
Verhalten bewirken.
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Die
mechanische Bedämpfung
durch geeignete Material- und Abmessungswahl der Zentrierungselemente
führt zwar
zur Verminderung der Eigenmoden, aber auch zur Erhöhung der
nichtlinearen Verzerrungen durch die nichtlinearen Eigenschaften
der Bedämpfung.
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Die
bekannten Ausführungen
von Elektrostaten und Magnetostaten entwickeln zum einen nur relativ
geringe Antriebskräfte,
bezogen auf die zu bewegende Hubmembranfläche, zum anderen ist die Hubmembranbewegung
wegen deren Flexibilität nicht
koplanar und mit starken Eigenbewegungen und Partialschwingungen
behaftet, was erhöhte
Verzerrungen nach sich zieht (
WO 2006/117716 A1 ).
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Schallwiedergabe
eines magnetostatischen Lautsprechers, insbesondere eines Tieftonlautsprechers,
durch Verringerung der nichtlinearen Verzerrungen zu erreichen und
den akustischen Wirkungsgrad des Lautsprechers durch Vergrößerung des
Verhältnisses
der schallabstrahlenden Fläche
zur Gesamtfläche
erhöhen.
Außerdem
sollen sich die elektrische und die mechanische Belastungs- und Überlastungsfestigkeit
des Lautsprechers erheblich erhöhen
und ein wesentlich vereinfachter Aufbau des Lautsprechers eine rationellere
und damit potentiell kostengünstigere
Fertigung ermöglichen.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die
in Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen
und Fortbildungen geben die Unteransprüche an.
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Die
Erfindung erlaubt bis auf die Flächenanteile
zwischen den ebenen Wicklungen der Schwingspule einen vollflächigen Antrieb
einer Hubmembran für
einen Lautsprecher, d.h., die Antriebskraft erfährt keine im Wesentlichen Punkt-
oder linienförmige
Einleitung in die Hubmembranfläche,
sondern als flächenbezogen
verteilte Kraft. Die konzentrische Anordnung der Schwingspulen-Wicklungen und
der Permanentmagnete bewirkt eine gleichmäßige, homogene Kraftverteilung
mit stark verminderten Kippmomenten an der Hubmembran. Mit der zusätzlich biegesteifen
Hubmembran und dem reduzierten Einspannungsaufwand ist so eine sehr
einfache Konstruktion und Fertigung von verzerrungsarmen Tieftonlautsprechern
möglich.
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Die
Reduzierung der Einspannung der Schwingeinheit auf nur eine Zentrierung
(Sicke) führt zur
Vermeidung der durch die ursprünglich
vorhandene Zentrierspinne hervorgerufenen nichtlinearen Verzerrungen.
Gleichzeitig vermeidet der Wegfall der Spinne deren Eigenmoden und
die negative Beeinflussung der Schallwiedergabe durch diese Resonanzen.
Der Verzicht auf die Zentrierspinne verringert sowohl Material-,
als auch Montageaufwand in der Fertigung.
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Die
mögliche
Fertigung der Schwingspule als gedruckte Schaltung nutzt bewährte, gegenüber den
bisherigen Herstellungsverfahren sehr toleranzarme und kostengünstige Verfahren.
Die Anordnung der Schwingspule einseitig oder zweiseitig auf der Membrankernoberfläche bewirkt
bei der Wahl geeigneter Trägermaterialien
eine drastische Erhöhung deren
Biegesteifigkeit. Übliche
Glasfaserlaminate sind dafür
hervorragend geeignet.
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Platziert
man die Schwingspule mit der Kupferseite auf den Hubmembrankern
und mit der Trägerseite
auf die Hubmembranabgewandte Seite, ergibt dies einen effektiven
Schutz gegen mechanische Überlastung
oder Beschädigung,
da die Schwingspule durch den Träger
abgedeckt ist.
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Die
nahezu beliebige Formgebung der schallabstrahlenden Fläche ohne
Verzicht auf die sonstigen Vorteile des beschriebenen Prinzips erlaubt
die nahezu nahtlose Aneinanderreihung der Lautsprecherchassis in
zwei Dimensionen und damit eine effektive Vergrößerung der schallabstrahlenden Fläche.
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Die
flache Bauweise ermöglicht
hocheffektive Lautsprecher z.B. durch Stapelung der Anordnung mit
gegenläufigen
Hubmembranen, welche im Hochtonbereich mit ähnlichem Funktionsprinzip als „Air Motion
Transformer" bekannt
sind.
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Durch
die Antriebskennlinie (Antriebskraft in Abhängigkeit von der Schwingspulenauslenkung, Bl-Kennlinie)
ist eine teilweise bis vollständige
Kompensation der progressiven Rück stellkräfte der
Aufhängung
möglich.
Die Einstellung der Antriebskennlinie ist vorteilhaft über die
Windungsanzahl, die Wicklungsform und die relative Lage zu den Permanentmagneten
möglich.
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Die
Aufhängung
besitzt nur eine kleine akustisch wirksame Fläche im Verhältnis zur Hubmembranfläche und
reduziert so die dadurch entstehenden Verzerrungen.
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Der
elektrische Antrieb der Hubmembran befindet sich in einer Ebene
mit deren Aufhängung
und vermindert dadurch das durch unvermeidliche Fertigungstoleranzen
hervorgerufene Kippmoment.
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Die
Wicklungen der Schwingspule können
in der Hubmembran versteckt werden und sind so mechanisch geschützt.
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Über die
Hubmembranfläche
ist eine einfache und effektive Kühlung der Schwingspule möglich.
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Der
erfindungsgemäße Lautsprecher
besitzt einen extrem einfachen und im Vergleich zu bekannten Tieftonlautsprechern
mit ähnlicher
Hubmembranfläche
sehr flachen Aufbau. Die Bauweise mit geschlossenem magnetischen
Rückschluss
bedingt ein sehr geringes magnetisches Streufeld.
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Die
schallabstrahlenden Fläche
lässt sich
in einer nahezu beliebigen Form gestalten, z.B. rund, oval, quadratisch,
polygon, rechteckig.
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Der
Permanentmagnetkreis ist sehr einfach und toleranzunempfindlich.
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Es
können
keine Führungsprobleme
z.B. durch Verkippen der Hubmembran oder der Schwingspule auftreten,
wodurch hohe Fertigungstoleranz zugelassen werden können.
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Der
Hubmembrankern hat eine einfache, ebene Formgebung und ist so leicht
aus Halbzeugen zu fertigen.
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Die
Wicklungen der Schwingspule lassen sich in Form von flexiblen Leiterplatten,
z.B. Kaptonfolie (Polyimidfolie) oder Glasfaserlaminate mit Kupferleitern,
ebenfalls sehr einfach mit bekannten und bewährten Verfahren herstellen.
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Die
Ausführung
der Schwingspule als dünne Leiterplatte
ein- oder beidseitig
des Hubmembrankerns führt
zur hohen Biegesteifigkeit und Stabilität der Hubmembran.
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Die
Erfindung soll anhand eines Ausführungsbeispiels
näher erläutert werden.
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In
den zugehörigen
Zeichnungen zeigt:
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1 einen
Lautsprecher bekannter Bauform im Querschnitt,
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2 einen
Halbschnitt durch den Mittelpunkt eines erfindungsgemäßen Lautsprechers
mit eingezeichneten Magnetfeldlinien,
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3 eine
Kraft-Weg-Kennlinie des Lautsprechers nach 2,
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4 eine
Variante einer Schwingspulenanordnung,
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5 eine
erste Variante einer Lautsprecherbaugruppe und
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6 eine
Aufbauvariante aus mehreren Lautsprecherbaugruppen.
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In
dem Lautsprecher bekannter länglicher Bauform
nach 1, welche schematisch einen Schnitt quer zu den
Längsseiten
zeigt, befinden sich in einem, gleichzeitig als magnetischer Rückschluss wirkenden,
Gehäuse 1 mehrere
sich gegenüberstehende,
parallel angeordnete, stabförmige
Permanentmagnetpaare 2 mit wechselnder (alternierender) Polarisierung.
Dabei stehen sich jeweils gleiche Pole gegenüber (N-N, S-S) und entgegegengesetzte
Pole nebeneinander (N-S, S-N). So bildet sich ein relativ homogenes
Magnetfeld 3 parallel zur Hubmembran 4 aus. Durch
die elektrischen Wicklungen 5 fließt der Ansteuerstrom senkrecht
zur Magnetfeldrichtung, so dass sich eine Antriebskraft parallel
zur Flächennormalen
der Hubmembran 4 ausbildet. Die Ansteuerung mit einem Wechselstrom
bewirkt damit die Schallabstrahlung aus den Gehäuseöffnungen 6.
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2 zeigt
einen Querschnitt durch den Mittelpunkt eines kreisscheibenförmigen Lautsprechers nach
der Erfindung, wobei nur die Schnitthälfte rechts der Symmetrieachse
S dargestellt ist. Eine Explosionszeichnung des Lautsprechers zeigt
die noch näher
zu beschreibende 5. Dargestellt in 2 ist eine
Feldverteilung einer FEMM-Simulation mit einem magnetischen Rückschluss,
den zwei Gehäuseschalen 1 bilden,
und alternierend gepolten konzentrisch in den Gehäuseschalen 1 angeordneten
Permanentmagnetringen 2. Die Polarisierung der konzentrischen
Permanentmagnetringe 2 ist derart, dass sich jeweils gleiche
Pole gegenüber
stehen (N-N, S-S) und entgegen gesetzte Pole konzentrisch nebeneinander
stehen (N-S, S-N). Fließt
ein Ansteuerstrom senkrecht zur Magnetfeldrichtung, bildet sich eine
Antriebskraft parallel zur Flächennormale
der Hubmembran 4 aus. Die magnetische Feldstärke, sichtbar anhand
der Feldliniendichte des Magnetfelds 3, fällt nahe
der Symmetrieachse S niedriger aus, als in Richtung der Gehäuseperipherie.
Siehe hierzu die Bezugszeichen 7 für einen Bereich kleineren Radius
und 8 für
einen Bereich größeren Radius des
Lautsprechergehäuses 1.
Auf einer kreisscheibenförmigen
biegesteifen Hubmembran 4 sind konzentrisch mehrere Wicklungsringe 10, 11 (4)
aus elektrischen Leitern als Wicklungen 5 (2)
einer Schwingspule aufgebracht, die vorzugsweise aus einer größeren Anzahl
Windungen bestehen. Die Hubmembran 4 dient somit als Träger für die Wicklungen 5 und
damit für
die Schwingspule. Die Wicklungsringe 10, 11 sind
auf der Hubmembran 4 im Abstand der Radien zu den Permanentmagnetringen 2 versetzt angeordnet,
das heißt,
Permanentmagnetringe 2 und Wicklungsringe 10, 11 lücken. Fließt ein Ansteuerstrom
durch benachbarte Wicklungen 5 in entgegen gesetzter Richtung,
so addieren sich die in den Einzelwicklungen 5 entstehenden
Kräfte
senkrecht zur Membrannormalen. Durch hier nicht sichtbare obere Gehäuseöffnungen 6 und
untere Gehäuseöffnungen in
den Gehäusehalbschalen
gelangt der entstehende Schalldruck ins Freie. Die den Schalldruck
erzeugende biegesteife Hubmembran 4 ist an ihrem Kreisrand federnd – Bezugszeichen 9 – aufgehängt. Sie schwingt,
moduliert durch den Ansteuerstrom, in axialer Richtung koplanar
auslenkend.
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3 verdeutlicht
den Verlauf der Antriebskraft eines magnetostatischen Lautsprechers
erfindungsgemäßer Bauart
in Normalenrichtung der Hubmembran in Abhängigkeit von ihrer Auslenkung.
Es ist zu erkennen, dass die Kraft mit der Annäherung der Hubmembran an die
Permanentmagnete, also steigender Auslenkung, jeweils zunimmt und
somit eine progressive Kennlinie bildet. Jedoch ist die Antriebskraft
wesentlich höher
als bei einem Lautsprecher gemäß 1.
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Eine
beispielhafte Lautsprecherausführung besitzt
folgende Abmessungen:
Gehäuseinnendurchmesser:
140 mm
Gehäuseinnenhöhe: 20 mm
Hubmembrandurchmesser:
124 mm
Magnetabstand senkrecht: 10 mm
Magnetringinnendurchmesser:
10 mm, 50 mm, 90 mm
Magnetringaußendurchmesser: 30 mm, 70 mm,
110 mm
Windungszahlen von innen nach außen: 50, 50, 25
Magnetmaterial:
NdFeB 40
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Mit
den Maßen
ergibt sich eine wirksame Hubmembranfläche von etwa 120 cm2. Das Verhältnis der erzielten Antriebskraft
zur Hubmembranfläche
in dieser nicht optimierten Ausführung
entspricht etwa dem handelsüblicher
Tieftonlautsprecher konventioneller Tauchspulbauart. Insbesondere
ist damit die spezifische Antriebskraft pro Hubmembranfläche gegenüber den
Magnetostaten bisheriger Bauart wesentlich gesteigert.
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4 stellt
eine Variante einer Schwingspule für einen erfindungsgemäßen magnetostatischen Lautsprecher
dar. Eine äußere Wicklung 10 und
eine innere Wicklung 11 der Schwingspule sind durch wicklungsfreie
Flächen 12 getrennt
und hier über
die elektrischen Zuleitungen 13 so in Reihe geschaltet, dass
der Ansteuerstrom in beiden Wicklungen 10, 11 jeweils
in die entgegen gesetzte Richtung fließt. Die Wicklungen 10, 11 können ganz
oder teilweise in Reihe, parallel oder gemischt verschaltet werden.
Zur Erzielung einer homogenen Kraftverteilung über die Hubmembranfläche sind
auch mehrlagige Aufbauten möglich,
um die jeweiligen Windungszahlen der Einzelwicklungen zu optimieren.
Zusätzlich
sind Leiterzugbreiten und Abstände
zwischen den Windungen variabel, um eine optimale Kraft- und Verlustleistungsverteilung
zu erreichen. Die Wicklungen sind ein- oder beidseitig auf der hier
nicht dargestellten biegesteifen Hubmembran (Bezugszeichen 4 in 2)
aufgebracht.
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5 zeigt
eine Explosivdarstellung einer Variante des erfindungsgemäßen magnetostatischen Lautsprechers.
Zwei Gehäusehalbschalen 1 tragen auf
ihren Innenseiten konzentrisch angeordnete ringförmige Permanentmagnete 2,
zwischen denen im Abstand der Radien der Zwischenräume zwischen den
Permanentmagnetringen 2 die gleichfalls konzentrisch angeordneten
Wicklungen 5 der Schwingspule befestigt sind. Die Aufhängung der
Hubmembran 4 (2) ist aus Gründen der Übersichtlichkeit hier
nicht dargestellt.
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6 zeigt
eine mögliche
Aufbauvariante erfindungsgemäßer Lautsprecher
zu einem Tieftonlautsprecher (Subwoofer) mit hohem Wirkungsgrad
und sehr geringem Bauvolumen. Hierzu sind im Beispiel vier gleichgroße Lautsprecher
zu einer Säule
verbaut. Die radialen Öffnungen 6 in
den Gehäusehalbschalen 1 befinden
sich auf jeweils gegenüber
liegenden Seiten, so dass die gegenläufig betriebenen Schwingspulen
eine dipolförmige
Schallabstrahlung bewirken.
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Wenngleich
die Beispiele kreisscheibenförmige
Lautsprecher beschreiben, schließt die Erfindung andere Geometrien
nicht aus. Vielmehr sind nahezu beliebige Formen der schallabstrahlenden
Fläche
möglich,
wie rund, oval, polygon, rechteckig. Entsprechend können die
konzentrischen Permanentmagnetringe und konzentrischen Wicklungsringe
an die schallabstrahlende Hubmembran 4 angepasst sein.
Der Begriff „Ring" ist folglich nicht
ausschließlich
als geometrisch vollkommener Kreisring zu verstehen, sondern bezeichnet
jede in sich geschlossene Struktur.
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- 1
- Gehäuse, Gehäuseschalen
- 2
- Permanentmagnetanordnung
- 3
- Magnetfeld
- 4
- Hubmembran
- 5
- Schwingspulenwicklung
- 6
- Gehäuseöffnung
- 7
- kleinerer
Radius
- 8
- größerer Radius
- 9
- Federaufhängung der
Hubmembran
- 10
- äußerer Wicklungsring
der Schwingspule
- 11
- innerer
Wicklungsring der Schwingspule
- 12
- wicklungsfreie
Fläche
auf der Hubmembran
- 13
- elektrische
Zuleitungen zu den Wicklungen
- S
- Symmetrieachse
des Lautsprechers