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Die
Erfindung betrifft einen Flächenlautsprecher mit einer
biegesteifen Platte, die zu Biegeschwingungen anregbar ist, und
mit zumindest einer auf der Platte aufgebrachten Schwingspule, mit
der elektrische Tonsignale in die Biegeschwingungen umwandelbar
sind.
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Ein
derartiger Flächenlautsprecher kommt insbesondere auf dem
Gebiet der Akustik zum Einsatz, bei dem eine eher kurzreichweitige
Beschallung gefordert ist. Flächenlautsprecher werden durch
eine plattenförmige "Membran" gebildet, an deren Rückseite
sich ein oder mehrere Schwingspulen (Schwingungserreger) befinden,
die diese Membrane zu Biegewellenschwingungen anregen. Diese Schwingungserreger
arbeiten beispielsweise nach dem Prinzip der elektrodynamischen
und/oder piezoelektrischen Wandler und sind mechanisch mit der Membran
so gekoppelt, dass sie ihre Vibrationen auf die Membran leiten und
die Membran die sie umgebende Luft zum Mitschwingen anregt.
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Durch
die physikalischen Eigenschaften der Membrane werden in weitem Maße
die akustischen Eigenschaften des Lautsprechergebildes festgelegt. In
zahlreichen Versuchen wurde bislang versucht, durch geeignete mechanische
Parameter des Membranmaterials den Gesamtklang und das Abstrahlverhalten
positiv zu beeinflussen. Die positive Beeinflussung besteht beispielsweise
darin, eine Bündelung der Schallabstrahlung zu erreichen.
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Die
Schallbündelung ist bei Flächenmembranlautsprechern
extrem schlecht ausgebildet. Sie entspricht weitestgehend einem
"near fill" anstatt eines "long throw" – so die Spezialbegriffe.
Im deutschen würde man sie nicht als "Weitwerfer", sondern als
"Nahfüller" bezeichnen. Das bedeutet, dass ein Flächenmembranlautsprecher
sein direktes Umfeld bis 5 m Radius nahezu vollständig
beschallen kann. Dieses kann kein kon ventioneller Lautsprecher.
Soll ein Flächenlautsprecher nun aber über eine
Strecke von 10 m oder mehr hinausstrahlen, so ist das mit Schwierigkeiten
verbunden. Für einen konventionellen Lautsprecher sind
beispielsweise 10 m Wurfweite kein Problem. Hornlautsprecher schaffen
problemlos auch 50 m Wurfweite, allerdings bei stark gebündeltem
Schallstrahlengang. Für Flächenlautsprecher hingegen
ist der problemlos nutzbare Einsatzbereich auf die Beschallung kurzer
Entfernungen eingeschränkt.
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Aus
WO 02/093972 A2 (und
Nachweisen darin) ist es bekannt, durch Verändern von Parametern der
Membran eines Flächenlautsprechers – wie Materialauswahl,
Materialdicke, Scherkräfte, Oberflächenmaterialien,
Materialmischungen sowie Übergängen zwischen verschiedenen
Materialien – die Membraneigenschaften und damit das Klangverhalten
des Flächenlautsprechers zu beeinflussen. Dies wird über
frequenzabhängige Parameter erreicht, mit denen beispielsweise
in verschiedenen Frequenzbereichen eine unterschiedlich starke Dämpfung
eingestellt werden kann, d. h. diese Lösung zielt auf das Spektrum
des Flächenlautsprechers ab.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Flächenlautsprecher
mit auf einfache Weise veränderter Abstrahlcharakteristik
anzugeben.
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Diese
Aufgabe wird bei einem Flächenlautsprecher der eingangs
genannten Art dadurch gelöst, dass die Platte im Inneren
zumindest einen Hohlraum aufweist. Es werden somit mittels Einbringen
von luftleeren und/oder gasgefüllten Hohlräumen
innerhalb der als Membran dienenden Platte deren Schwingungsverhalten
und/oder Körperschall-Leitfähigkeit manipuliert
und somit der Klang und die Abstrahlcharakteristik verändert.
Da sich Schall in einem Gas (z. B. Luft) langsamer ausbreiten kann
als in einem Festkörper (z. B. PU-Schaum, Wabenplatte),
lässt sich durch das Einbringen von Hohlräumen
die Ausbreitungsgeschwindigkeit manipulieren, wodurch eine Beeinflussung der
Klangeigenschaften und des Abstrahlverhaltens des Flächenlautsprechers
erreicht wird.
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Das
Fehlen von Membranmaterial bedeutet, dass an dieser Stelle keine
Körperschallleitung geschehen kann. Stattdessen findet
beispielsweise eine Luftleitung des Schalls statt. Somit lässt
sich erfindungsgemäß der von der zumindest einen Schwingspule
(Schwingungserreger) eingeleitete Körperschall an gewünschten
Positionen im Membranmaterial bündeln oder ausdünnen.
Dies hat zur Folge, dass sich die "Form" des abgestrahlten Schalls – die
Abstrahlcharakteristik – ändert.
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Durch
die Beeinflussung der Körperschallausbreitung wird in direkter
Weise das Schwingungsverhalten der Membran und damit der Klang und/oder
die Abstrahlcharakteristik des Lautsprechergebildes verändert.
Auf diese Weise kann – bei vorgegebenen Materialeigenschaften
der biegesteifen Platte – die Schallabstrahlung von nicht-hörbaren und
insbesondere von hörbaren Frequenzen von Flächenlautsprechern
gebündelt und somit die Wurfweite verlängert werden.
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In
einer vorteilhaften Form der Ausgestaltung weist die Platte zumindest
eine Boden-, eine Deck- und eine Kernschicht auf, wobei sich der
zumindest eine Hohlraum in der Kernschicht erstreckt. Besteht die
Membran also beispielsweise aus einem Sandwich-Material mit z. B.
einem PU-Schaum als Kernschicht (-material) zwischen einer Boden-
und einer Deckschicht, so wird durch Einbringen von Hohlräumen
in das Kernmaterial die Weiterleitung des Körperschalls
verändert. Eine derartige Sandwich-Struktur der Membran
erlaubt dabei eine einfache Herstellung durch Aufbringen von neben
Boden- und Deckschicht ggf. weiteren Schichten auf die entsprechend
der gewünschten Abstrahlcharakteristik präparierte
Kernschicht.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform sind die Hohlräume
zumindest teilweise zur Boden- und/oder Deckschicht offen ausgebildet.
Dabei befindet sich zwischen der Boden- und der Deckschicht ein
schallleitendes Material (-gemisch), das auch aus mehreren Schichten
aufgebaut sein kann, wobei die Hohlräume z. B. durch Einfräsen – d.
h. teilweises Entfernen des schallleitenden Materials – oder
Ausfräsen – d. h. komplettes Entfernen des schallleitenden
Materials – erzeugt werden können. Werden die
Deckschichten (Synonym für: Boden- und Deckschicht, entsprechend
also einer "unteren" und einer "oberen" Deckschicht) dabei nicht
beschädigt, so bleiben die Manipulationen im schallleitenden Material
unsichtbar, wenn die Deckschichten selbst lichtundurchlässig
sind.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist zumindest
einer der Hohlräume röhrenförmig ausgebildet.
Somit bildet der zumindest eine röhrenförmige
Hohlraum eine Art Kanal mit einem gleichförmigen Querschnitt,
der allerdings nicht kreisrund sein muss, sondern auch viereckig
sein kann, so dass die Hohlräume bei einer Membran mit
Sandwich-Struktur z. B. einfach durch Ausstanzen des schallleitenden Materials
und anschließendes Aufbringen der Deckschichten erzeugt
werden können.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weisen die
Hohlräume zumindest teilweise eine Verteilung mit einer
Symmetrie auf und bildet eine Position der zumindest einen Schwingspule
ein Symmetriezentrum. Hierbei können zum Beispiel ring- oder
kreisförmige Hohlräume im Inneren der biegesteifen
Platte eingebracht sein, wobei eine Schwingspule den Mittelpunkt
des Ringes bzw. Kreises bildet. Hierdurch wird eine Kreisresonanz
im schallleitenden Material erreicht, die beispielsweise zu einer
Anhebung des Lautstärkepegels bei der Resonanzfrequenz
führt. Durch entsprechende geometrische Formen können
also auch derartige Anhebungen gesteuert werden.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weisen die
Hohlräume zumindest teilweise eine Verteilung mit einer
Symmetrie auf und ist die Symmetrie an eine geometrische Form der
biegesteifen Platte angepasst. Hierbei kann beispielsweise aus einer
bei einer quadratischen Platte rotationssymmetrischen Verteilung
bei einer rechteckigen Platte eine spie gelsymmetrische Verteilung
werden (bzw. eine 180°-Symmetrie), wobei die Position der
Schwingspule auf der Spiegelachse liegt.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weisen die
Hohlräume Abmessungen auf, die mit zunehmendem Abstand
des jeweiligen Hohlraums von der zumindest einen Schwingspule größer werden.
Größere Abmessungen können dabei beispielsweise
dadurch erzielt werden, dass bei röhrenförmigen
Hohlräumen der Querschnitt vergrößert wird,
oder dass bei beliebig geformten Hohlräumen mit zunehmendem
Abstand die Dicke der Membran geringer wird.
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Im
Folgenden wird die Erfindung anhand der in den Figuren dargestellten
Ausführungsbeispiele näher beschrieben und erläutert.
Es zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung eines Flächenlautsprechers mit
einer dreischichtigen Membran,
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2 als
Kanäle ausgeführte Ausnehmungen in der Kernschicht
der Membran,
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3 irregulär
geformte Ausnehmungen in der Kernschicht der Membran,
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4 den
Aufbau der dreischichtigen Membran mit der Kernschicht aus 2.
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1 zeigt
eine schematische Darstellung eines Flächenlautsprechers 1 mit
einer biegesteifen Platte 2 als Membran, die mittels einer
Schwingspule 3 als Antrieb zu Biegeschwingungen 7 angeregt
werden kann, durch die die vor der Membran befindliche Luft ebenfalls
in Schwingungen versetzt wird. Diese als Schall wahrnehmbaren Luftschwingungen
breiten sich bei herkömmlichen Flächenlautsprechern üblicherweise
auch mehr oder weniger flächig in den Raum aus (wie in
der Figur dargestellt); eine gebündelte Schallabstrahlung
ist jedoch schwerer zu erreichen. Hierzu werden im Inneren der biegesteifen Platte 2 Hohlräume
eingebracht, die luftleer oder mit einem Gas (vorzugsweise mit Luft)
gefüllt sind. Durch geeignet ge wählte Hohlräume
(Bezugszeichen 8, siehe 2 bis 4)
wird so eine geänderte Abstrahlcharakteristik (hier nicht
dargestellt) des Flächenlautsprechers 1 erreicht.
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In
dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel weist
die biegesteife Platte 2 zwei Deckschichten (bzw. eine
Boden- und eine Deckschicht) 4, 6 auf, zwischen
denen eine Kernschicht 5 angeordnet ist. In diese Kernschicht 5 können
nun Ausnehmungen durch ein- und/oder ausfräsen des Kernmaterials
eingebracht werden, wobei einfräsen eine teilweise Entfernung,
ausfräsen eine komplette Entfernung des schallleitenden
Materials bedeuten soll. In beiden Fällen entstehen durch
anschließendes Aufbringen der Deckschichten 4, 6 auf
die Kernschicht 5 im Inneren der Membran 2 Hohlräume,
durch die die gewünschte Abstrahlcharakteristik erzielt
wird.
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2 zeigt
die Kernschicht 5 der dreischichtigen Membran 2 aus 1.
Die durch Aufbringen der Deckschichten 4, 6 auf
die Kernschicht 5 entstehenden Hohlräume 8 sind
hier als röhrenförmige Ausnehmungen um die Position 9 der
Schwingspule 3 auf der Membran 2 (dem "Angriffspunkt"
der Schwingspule) herum ausgeführt. Diese kanalartigen Ausnehmungen 8 ziehen
sich von der Oberseite bis zur Unterseite des Kernmaterials und
sind somit zur Boden- und Deckschicht 4, 6 hin
offen ausgebildet. Dabei weisen sie einen viereckigen Querschnitt
auf, wie in der Seitenansicht 10 eines Kanals 8 zu
sehen ist. Die Verteilung der Hohlräume 8 weist
dabei eine an eine rechteckige Membran 2 Symmetrie auf,
nämlich eine zweifache Spiegelsymmetrie mit dem Angriffspunkt 9 der
Schwingspule 3 auf beiden in einem rechten Winkel zueinander
stehenden Spiegelachsen sowie eine 180°-Rotationssymmetrie.
Durch diese nahezu ringartigen Kanäle 8 wird eine
Kreisresonanz im Kernmaterial erreicht, die – neben der
gewünschten Abstrahlcharakteristik – beispielsweise auch
zu einer Anhebung des Lautstärkepegels bei der Resonanzfrequenz
führt. Dabei wird die Änderung der Schallabstrahlung
durch die größeren Abmessungen der Kanäle 8 des äußeren
"Ringes" zusätzlich unterstützt.
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3 zeigt
schematisch ein weiteres Ausführungsbeispiel von in die
Kernschicht 5 eingebrachten Ausnehmungen 8, die
vier irregulär geformte Hohlräume 8 um
den Angriffspunkt 9 der Schwingspule 3 in der
biegesteifen Platte 2 ergeben. Dabei sind die Ausnehmungen 8 nicht
vollständig durchgehend in das Kernmaterial eingebracht.
In der Seitenansicht 10 des in der Figur rechten Hohlraums 8 ist
zu erkennen, dass mit wachsendem Abstand vom Angriffspunkt 9 mehr
Material aus der Kernschicht 5 herausgefräst wurde.
Die Symmetrie der Verteilung der Hohlräume 8 ist
dabei dieselbe wie in 2.
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In 4 ist
schematisch der Aufbau der Membran 2 dargestellt. Zwischen
den Deckschichten 4, 6 befindet sich beispielhaft
die mit Kanälen 8 versehene Kernschicht 5 aus 2.
Der dunkle Kreis in der Mitte markiert wieder die Position 9,
an der der Schwingungsgeber 3 (die Schwingspule) angreift. Fertig
zusammengesetzt ergeben sich durch die Ausnehmungen 8 in
der zwischen den Deckschichten 4, 6 liegenden
Kernschicht 5 Hohlräume 8 im Inneren
der Membran 2, durch die die Abstrahlcharakteristik des
Flächenlautsprechers 1 in gewünschter Weise
verändert wird.
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Zusammenfassend
betrifft die Erfindung einen Flächenlautsprecher mit einer
biegesteifen Platte, die zu Biegeschwingungen anregbar ist, und
mit zumindest einer auf der Platte aufgebrachten Schwingspule, mit
der elektrische Tonsignale in die Biegeschwingungen umwandelbar
sind. Um bei einem derartigen Lautsprecher auf einfache Weise die Abstrahlcharakteristik
zu verändern, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen,
in das Innere der Platte zumindest einen Hohlraum einzubringen.
Durch dieses Einbringen von luftleeren und/oder gasgefüllten Hohlräumen
innerhalb der als (Lautsprecher-) Membran dienenden Platte wird
deren Schwingungsverhalten und/oder Körperschall-Leitfähigkeit
manipuliert, da sich Schall z. B. in einem Gas langsamer ausbreiten
kann als in einem Festkörper, wodurch eine Beeinflussung
der Klangeigenschaften und des Abstrahlverhaltens des Flächenlautsprechers
erreicht wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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