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Die
Erfindung betrifft einen Schallwandler, insbesondere einen elektrodynamischen
Schallwandler.
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Schallwandler
dienen der Wandlung von elektrischer Energie in akustische Schwingungen (Lautsprecher,
Kopfhörer)
oder der Wandlung von akustischen Schwingungen in elektrische Energie (Mikrofon).
Sie können
auch als Lautsprecher bezeichnet werden und besitzen im Allgemeinen
einen rotationssymmetrischen Aufbau. Dabei entspricht die Achse
der Rotationssymmetrie der Richtung der Schallausbreitung. Der elektrodynamische
Lautsprecher ist die häufigste
Lautsprecherbauart und basiert auf der Lorentzkraft. Dies bedeutet,
dass eine Membran durch die Wechselwirkung zwischen einem elektrischem
Strom und einem magnetischen Gleichfeld zu Schwingungen angeregt
wird.
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Zur
Umsetzung der Energiewandlung ist bei elektrodynamischen Lautsprechern
meist ein zentraler Antrieb vorhanden. Eine stromdurchflossene Spule,
Schwingspule genannt, befindet sich im magnetischen Gleichfeld eines
Permanentmagneten. Die Schwingspule ist mit einem Schwingspulenträger verbunden,
der wiederum an einer Membran befestigt ist. Wird ein Wechselstrom
an die Schwingspule angelegt, so wird durch die Lorentzkraft eine
Kraft auf die Membran ausgeübt,
wodurch diese zum Schwingen angeregt wird. Schwingspule und Membran
sind im Magnetfeld beweglich in der Richtung senkrecht zur magnetischen
Durchflutung angeordnet. Dabei entspricht die Bewegungsrichtung
der Schwingspule und der Membran der Achse der Rotationssymmetrie des
Schallwandlers. Eine Zentrierspinne und eine Sicke sind für die Rückführung der
Membran in die Ruhelage sowie für
die Zentrierung der Schwingspule verantwortlich. Die Sicke verhindert
weiterhin einen direkten Luftaustausch zwischen Vorder- und Rückseite.
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1 zeigt
eine schematische Schnittansicht eines elektrodynamischen Schallwandlers
gemäß dem Stand
der Technik. Der Schallwandler weist einen Napf 1, einen
Permanentmagneten 2 und eine Polplatte 3 auf.
Der Permanentmagnet 2 ist zwischen dem Napf 1 und
der Polplatte 3 angeordnet. Die magnetische Durchflutung,
die von der magnetischen Feldstärke
des Permanentmagneten 2 hervorgerufen wird, durchströmt über die
jeweiligen Kontaktflächen die
Polplatte 3 und den Napf 1. Dabei hängt die
Richtung des magnetischen Flusses von der Orientierung des Permanentmagneten 2 ab.
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Im
Fluss der magnetischen Durchflutung befindet sich ferner ein Luftspalt 7a zwischen
der Polplatte 3 und dem Napf 1. In diesem Luftspalt 7a ist eine
Spule 5 vorhanden, die als Schwingspule bezeichnet wird.
Die Schwingspule 5 kann aus einer Spule mit mehreren einzelnen
Wicklungen oder auch aus einer Spule mit einer einzelnen Wicklung
in mehreren Lagen bestehen. Die Schwingspule 5 wird von einem
Strom durchflossen, der durch die Wechselwirkung mit dem magnetischen
Feld im Luftspalt 7a aufgrund der Lorentzkraft die Schwingspule 5 zu
einer Bewegung in Richtung der Pfeile der 1 anregen
kann. Dabei entspricht die Bewegungsrichtung der Schwingspule 5 der
Richtung der Achse der Rotationssymmetrie des Schallwandlers.
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Die
Schwingspule 5 ist mit der Membran 6 verbunden.
Durch die Schwingungen der Schwingspule 5 wird somit die
Membran 6 angeregt, die hierdurch die Schwingungen der
Schwingspule 5 in akustischen Schall umsetzt. Schwingspule 5 und
Membran 6 sind mit einer Abdeckkappe 8 verbunden,
die im Zentrum des Schallwandlers angeordnet ist. Am äußeren Rand
des Schallwandlers sind die Schwingspule 5 und die Membran 6 mit
einer sogenannten Spinne 9, auch Zentrierspinne genannt,
sowie einer sogenannte Sicke 10 mit einem Gestell 4, auch
als Chassis oder Korb bezeichnet, verbunden. Das Chassis 4 und
die Sicke 10 sind für
die Rückführung der
Membran 6 in die Ruhelage sowie für die Zentrierung der Schwingspule 5 verantwortlich.
Die Sicke 10 verhindert weiterhin einen direkten Luftaustausch
zwischen Vorder- und Rückseite
des Schallwandlers.
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1 zeigt
hierbei eine Prinzipskizze eines vorbekannten elektrodynamischen
Schallwandlers mit einem innenliegenden Magnetsystem bestehend aus
Napf 1, Permanent magnet 2 und Polplatte 3. Dies
bedeutet, dass der Permanentmagnet 2 des Magnetsystems
innerhalb der Schwingspule 5 angeordnet ist. Ferner weist
der elektrodynamische Schallwandler nach 1 ein Chassis 4 auf,
das alle Wandlerkomponenten aufnimmt und der Positionierung und
Befestigung der Komponenten dient.
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2 zeigt
eine beispielhafte Schnittansicht eines elektrodynamischen Schallwandlers
gemäß 1 in
einem seitlichen Querschnitt durch die Achse der Rotationssymmetrie.
Zur Vereinfachung der Darstellung und zur besseren Übersichtlichkeit
sind in dieser Konstruktion nur der Napf 1, der Permanentmagnet 2,
die Polplatte 3 und das Chassis 4 dargestellt.
Da es sich um ein innenliegendes Magnetsystem handelt, wird zwischen
Napf 1 und Polplatte 3 ein magnetisch durchfluteter
Luftspalt 7a ausgebildet.
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Somit
besteht ein elektrodynamischer Lautsprecher im Wesentlichen aus
den Wandlerkomponenten Membran mit Spule und Magnetsystem, die durch
die Lorentzkraft relativ zueinander in Schwingung versetzt werden.
Unter der Komponente des Magnetsystems werden dabei der Magnet selbst,
der z. B. als Permanentmagnet ausgeführt ist und das magnetische
Gleichfeld bereitstellt, sowie zwei sogenannte Polplatten zusammengefasst.
Die beiden Polplatten sind jeweils mit einem der beiden magnetischen
Pole des Permanentmagneten verbunden. Sie bestehen aus einem magnetisch
leitfähigen
Material und leiten die magnetischen Feldlinien des Permanentmagneten
zu dem Luftspalt hin bzw. von dem Luftspalt weg, in dem die Schwingspule
angeordnet ist. Dabei lassen sich die Bauformen elektrodynamischer
Lautsprecher danach unterscheiden, ob der Permanentmagnet im Verhältnis zur
Schwingspule innenliegend oder außenliegend angeordnet ist.
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Unter
einem innenliegenden Magnetsystem ist somit ein Schallwandler zu
verstehen, bei dem der Permanentmagnet innerhalb der Schwingspule
angeordnet ist. Der Permanentmagnet kann in diesem Fall als Zylinder
ausgeführt
sein, dessen oberer Pol mit einer entsprechenden zylindrischen Polplatte
verbunden ist. Der untere Pol des Permanentmagneten ist mit einer
scheibenförmigen
Polplatte verbunden, die sich außerhalb der Schwingspule als
Ring fortsetzt und die Schwingspule umschließt. Aufgrund ihrer Form wird
die untere Polplatte auch als Napf bezeichnet und die obere Polplatte
dann lediglich als Polplatte. Diese Begriffe gelten für beide
Bauformen innenliegender und außenliegender
Magnetsysteme und sollen daher im Folgenden verwendet werden. Der
ringförmige
Teil des Napfes ist dabei so ausgebildet, dass er zusammen mit der
Polplatte einen Luftspalt bildet, in dem die magnetischen Feldlinien des
Permanentmagneten radial verlaufen.
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3 zeigt
eine schematische Schnittansicht eines elektrodynamischen Schallwandlers
gemäß dem Stand
der Technik mit einem außenliegenden
Magnetsystem. Hierbei ist der Permanentmagnet 2 derart
ausgebildet, dass er außerhalb
der Schwingspule 5 angeordnet wird. Hierdurch wird die Größe des Permanentmagneten 2 und
damit die zur Verfügung
stehende magnetische Feldstärke
des Magnetsystems nicht durch die Größe der Schwingspule 5 begrenzt,
wodurch ein außenliegendes
Magnetsystem grundsätzlich
eine höhere
Antriebsleistung bei gleichem benötigten Bauraum aufbringen kann
wie ein entsprechendes innenliegendes Magnetsystem. Der elektrodynamische
Schallwandler gemäß 3 weist
ebenfalls ein Chassis 4 zur Positionierung und Befestigung
der Wandlerkomponenten auf.
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Bei
einem außenliegenden
Magnetsystem ist der Permanentmagnet somit außerhalb der Schwingspule angeordnet
ist. Der Permanentmagnet kann dabei als Ring ausgeführt sein,
dessen oberer Pol mit der ebenfalls als Ring ausgebildeten Polplatte verbunden
ist. Der untere Pol des Permanentmagneten ist mit einem scheibenförmigen Napf
verbunden, die sich innerhalb der Schwingspule als Zylinder fortsetzt.
Dabei ist der zylindrische Teil des Napfes derart ausgebildet, dass
er zusammen mit der ringförmigen Polplatte
einen Luftspalt bildet, in dem die magnetischen Feldlinien radial
verlaufen.
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Da
die Anregung der Schwingspule mittels der Lorentzkraft aus der Wechselwirkung
zwischen magnetischer Feldstärke
und elektrischem Strom resultiert, ist gerade dann eine möglichst
hohe im Luftspalt wirksame magnetische Feldstärke gewünscht, wenn zur Vermeidung
einen starken Erwärmung
sowie zur Minimierung des Energieverbrauchs der elektrische Strom
in der Schwingspule gering gehalten werden soll.
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Vergleicht
man nun die beiden Bauformen des innenliegenden und des außenliegenden
Magnetsystems, so ist bei dem innenliegenden Magnetsystem die Größe des Permanentmagneten
und damit auch die Größe der Kontaktfläche zur
Polplatte durch die Größe der Schwingspule
begrenzt, da der Permanentmagnet innerhalb der Schwingspule angeordnet
ist. Somit ist bei innenliegenden Magnetsystemen die zur Schwingungsanregung
zur Verfügung
stehende magnetische Feldstärke
alleine durch die Größe der Schwingspule
begrenzt. Zur Bereitstellung einer hohen magentischen Feldstärke sind
daher außenliegende
Magnetsystem zu bevorzugen.
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Bei
beiden Bauformen werden die Wandlerkomponenten in einem Chassis,
auch als Korb bezeichnet, angeordnet, um eine Positionierung der einzelnen
Komponenten zueinander und deren Befestigung zu gewährleisten.
Das Chassis umgibt dabei die Komponenten. Das Chassis stellt eine
weitere Komponente des Lautsprechers dar, die entsprechenden Bauraum
benötigt
und Fertigungskosten verursacht. Daher ist es zur Reduzierung des
Bauraumes und zur Kostenreduzierung wünschenswert, auf ein Chassis
zu verzichten.
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Bei
innenliegenden Magnetsystemen kann auf ein Chassis verzichtet werden,
da der Napf den Permanentmagnet und die Polplatte vollständig umgibt
und diese Komponenten im Napf befestigt werden können. Ferner können ebenfalls
die Elemente des Schwingungssystems wie Spinne und Membran mit Spule
an dem Napf angeordnet werden. Somit bieten innenliegende Magnetsystem
den Vorteil, den Napf sowohl zur Führung des magnetischen Flusses als
auch zur Befestigung und Positionierung der Wandlerkomponenten verwenden
zu können.
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Auch
bei außenliegenden
Magnetsystemen kann auf ein separates Chassis verzichtet werden, doch
ist hierfür
eine Veränderung
der Bauform des Napfes erforderlich, da dieser im äußeren Bereich
lediglich als Scheibe ausgebildet ist, auf der ein kreisförmiger Permanentmagnet
und eine entsprechende Polplatte angeordnet sind. Aufgrund dieser
Bauweise können
die Komponenten des Schwingungssystems nicht direkt auf der Polplatte
oder dem Permanentmagneten befestigt werden, sondern der Napf wird radial
verlängert
und um Polplatte und Permanentmagnet herum ausgebildet, so dass
der Napf die Polplatte und den Permanentmagneten einschließt. Auf diese
Weise wird eine Form des Napfes vergleichbar dem Napf eines innenliegenden
Magnetsystems erreicht, so dass auch bei einem außenliegenden
Magnetsystem die Komponenten des Schwingungssystems am Napf anstelle
eines Chassis befestigt und positioniert werden können.
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Nachteilig
ist bei dieser Vergrößerung des Napfes
jedoch, dass sich nun ein zweiter radialer Luftspalt zwischen Polplatte
und Napf ausbildet, dessen magnetische Durchflutung jedoch nicht
der Schwingspule zur Verfügung
steht und damit den magnetischen Fluss reduziert, der zur Schwingungsanregung
genutzt werden kann. Dabei ist die magnetische Flussdichte im zweiten
Luftspalt zwischen Polplatte und Napf umso größer, je geringer der Luftspalt ausgebildet
ist. Ein geringer Luftspalt kann dabei durch eine möglichst
kompakte Bauform des Schallwandlers bedingt sein ebenso wie durch
einen radial groß ausgebildeten
Permanentmagneten zur Bereitstellung einer möglichst großen magnetischen Feldstärke. Somit
führt der
Verzicht auf ein Chassis bei einem Schallwandler mit einem außenliegenden
Magnetsystem entweder zu einer Verringerung der vom Permanentmagneten
zur Verfügung
gestellten magnetischen Feldstärke
bei gleichblei bendem Bauraum oder zur Vergrößerung des Bauraumes des Schallwandlers
bei einer verringerten Antriebskraft zur Schallanregung.
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Somit
besitzen elektrodynamische Schallwandler gemäß dem Stand der Technik mit
innenliegendem Magnetsystem eine durch die Größe der Schwingspule begrenzte
magnetische Feldstärke und
damit eine geringere zur Schwingungsanregung zur Verfügung stehenden
Antriebsleistung als Schallwandler mit außenliegendem Magnetsystem.
Andererseits kann bei elektrodynamischen Schallwandlern der vorbekannten
Art mit innenliegendem Magnetsystem auf ein Chassis als zusätzliche
Komponente verzichtet werden, ohne den Napf wesentlich zu verändern, den
Bauraum zu vergrößern und
die Antriebsleistung zu verringern. Soll hingegen bei einem Schallwandler
mit außenliegendem
Magnetsystem auf das Chassis verzichtet werden, so ist der Napf
derart zu gestalten, dass bei gleicher Antriebsleistung der Bauraum
des Schallwandlers vergrößert oder
bei gleichbleibendem Bauraum die Antriebsleitung verringert wird.
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Somit
ist bei elektrodynamischen Schallwandlern gemäß dem Stand der Technik zwischen
einer Reduzierung der Komponenten einerseits und einer Erhöhung der
Antriebsleistung andererseits unter Beachtung des jeweils benötigten Bauraumes
abzuwägen.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Aufbau eines Schallwandlers
zu vereinfachen und gleichzeitig die Antriebsleistung des Schallwandlers
zu erhöhen.
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Die
Aufgabe wird durch einen Schallwandler nach Anspruch 1 gelöst.
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Somit
wird ein Schallwandler vorgesehen mit einem ersten magnetisch leitenden
Element und einem zweiten magnetisch leitenden Element, einem Permanentmagneten,
der mit einem ersten magnetisch leitenden Element und einem zweiten
magnetisch leitenden Element verbunden ist. Hierbei bilden das erste
magnetisch leitende Element und das zweite magnetisch leitende Element
in radialer Richtung des Schallwandlers einen ersten magnetisch
durchfluteten Luftspalt aus. Der Schallwandler besitzt ferner eine
Schwingspule, die in dem ersten magnetisch durchfluteten Luftspalt
axial beweglich angeordnet ist, und eine Membran, die mit der Schwingspule
verbunden und axial beweglich angeordnet ist. Zwischen dem ersten
magnetisch leitenden Element und dem zweiten magnetisch leitenden
Element wird ein zweiter magnetisch durchfluteter Luftspalt ausgebildet.
Das erste magnetisch leitende Element weist im Bereich des zweiten
magnetisch durchfluteten Luftspalts einen ersten Abschnitt auf,
der zumindest teilweise ein Material mit hohem magnetischem Widerstand
aufweist.
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Ein
Vorteil des erfindungsgemäßen Schallwandlers
besteht darin, dass durch das Einbringen eines Material mit hohem
magnetischem Widerstand in den Bereich des zweiten magnetisch durchfluteten Luftspalts
verringert wird, dessen magnetische Durchflutung nicht für die Antriebskraft
der Schwingspule zur Verfügung
steht und damit einen Verlust der magnetischen Durchflutung darstellt.
Somit wird auch der Anteil der magnetischen Gesamtdurchflutung,
der durch den zweiten magnetisch durchfluteten Luftspalt führt, verringert.
Des Weiteren wird der Anteil der magnetischen Gesamtdurchflutung,
der zur Anregung der Membran im ersten magnetisch durchfluteten
Luftspalt zur Verfügung
steht, entsprechend erhöht.
So wird der magnetische Verlust im zweiten magnetisch durchfluteten
Luftspalt durch die geringere magnetische Leitfähigkeit in diesem Bereich verringert
und damit die Antriebsleistung des Schallwandlers gegenüber vorbekannten
Schallwandern erhöht.
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Gemäß einem
Aspekt der vorliegenden Erfindung wird dadurch im Bereich des zweiten
magnetisch durchfluteten Luftspalts ein Material mit hohem magnetischem
Widerstand vorgesehen, indem in diesem Bereich eine Vielzahl von
Aussparungen vorgesehen wird. Hierdurch wird im Bereich der Aussparungen
der Abstand zwischen dem ersten magnetisch leitenden Element und
dem zweiten magnetisch leitenden Element vergrößert, wodurch sich auch der magnetische
Widerstand in den Bereichen der Aussparungen erhöht, da sich die Aussparungen
mit Luft füllen
und Luft einen hohen magnetischen Widerstand besitzt. Auf diese
Weise kann sehr einfach ein Material mit hohem magnetischem Widerstand,
nämlich
Luft, in den zweiten magnetisch durchfluteten Luftspalt eingebracht
werden. Die Aussparungen können
bei der Fertigung vor der Montage der einzelnen Komponenten in das
erste magnetisch leitende Element eingebracht werden, wodurch der
Fertigungsaufwand für
die Herstellung eines erfindungsgemäßen Schallwandlers nur unwesentlich
höher ist als
für die
Fertigung von vorbekannten Schallwandlern. Die Form der Aussparungen
ist dabei nebensächlich,
da es lediglich auf die Erhöhung
des magnetischen Widerstandes ankommt. Somit sind bei der Fertigung
der Aussparung reichliche Toleranzen gegeben, wodurch die Fertigung
vereinfacht und damit die Fertigungskosten gering gehalten werden.
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Gemäß einem
Aspekt der vorliegenden Erfindung werden die Aussparungen als Durchbohrungen
des ersten magnetisch leitenden Elements ausgeführt. Hierdurch wird der Widerstand
im Bereich der Aussparungen maximiert, da bei einer vollständigen Durch bohrung
im Bereich der Aussparungen überhaupt
kein Material des ersten magnetisch leitenden Elements mehr dem
zweiten magnetisch durchfluteten Luftspalt gegenüberliegend vorhanden ist. Ferner
können
die Durchbohrungen in der Fertigung einfacher vorgesehen werden,
da Aussparungen, die keine Durchbohrungen sind, lediglich von der
Innenseite des ersten magnetisch leitenden Elements eingebracht
werden können,
durchgehende Bohrungen jedoch auch von der Außenseite, die viel einfacher
zugänglich
ist. Somit wird die Fertigung des erfindungsgemäßen Schallwandlers durch die
Verwendung von Durchbohrungen als Aussparungen vereinfacht bei gleichzeitiger
Maximierung des magnetischen Widerstandes im Bereich der vollständig mit
Luft gefüllten
Durchbohrungen. Schließlich
wird der Bereich im Inneren des Magnetsystems zwischen erstem und
zweiten magnetisch leitenden Element mittels der Durchbohrungen
mit der Umgebung des Schallwandlers verbunden. Hierdurch wird der Bereich
hinter der Sicke entlüftet,
so dass hier keine Luftfeder entsteht.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung weist zumindest ein Teil
der Durchbohrungen zumindest teilweise ein akustisch dämpfendes
Material auf. Hierdurch können
einzelne oder auch alle Durchbohrungen entweder lediglich teilweise
oder auch vollständig
mit einem Material oder auch verschiedenen Materialen versehen werden, welches
akustisch dämpfend
wirkt. Hierdurch kann gezielt Einfluss auf das akustische Verhalten
des erfindungsgemäßen Schallwandlers
genommen werden.
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Gemäß einem
Aspekt der vorliegenden Erfindung handelt es sich bei dem erfindungsgemäßen Schallwandler
um eine Bauform, die als außenliegendes
Magnetsystem bezeichnet wird. Hierbei wird das Magnetsystem durch
den Permanentmagneten, das erste magnetisch leitende Element und
das zweite magnetisch leitende Elements gebildet. Diese Bauform
eines elektrodynamischen Schallwandlers zeichnet sich durch ihre
höhere
Antriebsleistung gegenüber
innenliegenden Magnetsystemen aus, da bei einem außenliegenden
Magnetsystem ein größerer Permanentmagnet
verwendet werden kann. Hierdurch besitzt das Magnetsystem eine größere magnetische
Durchflutung und damit eine höhere
Antriebsleistung, um die Schwingspule anzuregen. Somit wird die
Antriebsleistung gegenüber
innenliegenden Magnetsystemen erhöht.
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Gemäß einem
Aspekt der vorliegenden Erfindung weist der Schallwandler kein Chassis
zur Positionierung und bzw. oder Befestigung des Permanentmagneten,
des ersten magnetisch leitenden Elements und des zweiten magnetisch
leitenden Elements und bzw. oder weiterer Komponenten auf. Hierdurch
kann das Chassis als Komponente eingespart werden, was aufgrund
von geringeren Material- und Montagekosten zu gerin geren Fertigungskosten des
erfindungsgemäßen Schallwandlers
führt. Gleichzeitig
werden Toleranzfehler vermieden, die zwischen den Wandlerkomponenten,
die innerhalb des Chassis zu montieren sind, und dem Chassis auftreten
können,
da eine Positionierung und Ausrichtung dieser Wandlerkomponenten
gegenüber dem
Chassis entfällt.
Somit steigert der Verzicht auf ein Chassis auch die Montage- und
damit Fertigungsgenauigkeit eines erfindungsgemäßen Schallwandlers, wodurch
eine Qualitätsverbesserung
des Produktes und hierdurch eine höhere Kundenzufriedenheit erreicht
werden. Da ferner das erste magnetisch leitende Element bei einem
Verzicht auf ein separates Chassis nun selbst als Chassis dient
und magnetisch leitend ist, wird hierdurch das Gesamtsystem nach
außen
magnetisch geschirmt.
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Gemäß einem
Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein erfindungsgemäßer Schallwandler
in einem Lautsprecher verwendet. Hierdurch können die Vorteile eines erfindungsgemäßen Schallwandlers
in dem entsprechenden Lautsprecher benutzt werden.
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Gemäß eines
Aspekts der vorliegenden Erfindung wird zumindest das erste magnetisch
leitende Element eines erfindungsgemäßen Schallwandlers durch Tiefziehen
hergestellt. Auf diese Weise kann ein bekanntes, erprobtes, einfaches
und damit kostengünstiges
Herstellungsverfahren zur Herstellung des ersten magnetisch leitenden
Elements eines erfindungsgemäßen Schallwandlers
genutzt und hierdurch die Fertigungskosten gering gehalten werden.
Dabei können
die Durchbohrungen des erfindungsgemäßen Schallwandlers vor dem
Fertigungsschritt des Tiefziehens in das erste magnetisch leitende
Element eingebracht werden, da die Form der Durchbohrungen für die Erhöhung des
magnetischen Widerstandes nicht entscheidend ist und damit reichliche
Toleranzen bei der Fertigung der Durchbohrungen vorliegen. Damit
kann die Bearbeitung des ersten magnetisch leitenden Elements bereits
vor dessen Ausformung zum Napf erfolgen, wodurch die Bearbeitung
erheblich vereinfacht und damit die Fertigungskosten gering gehalten
werden.
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Ausführungsbeispiele
und Vorteile der Erfindung werden nachstehend unter Bezugnahme auf folgende
Figuren näher
erläutert:
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1 zeigt
eine schematische Schnittansicht eines elektrodynamischen Schallwandlers
gemäß dem Stand
der Technik,
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2 zeigt
eine schematische Schnittansicht eines elektrodynamischen Schallwandlers
gemäß dem Stand
der Technik,
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3 zeigt
eine schematische Schnittansicht eines elektrodynamischen Schallwandlers
gemäß dem Stand
der Technik,
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4 zeigt
eine schematische Schnittansicht eines elektrodynamischen Schallwandlers,
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5 zeigt
eine schematische Schnittansicht eines elektrodynamischen Schallwandlers
gemäß dem Stand
der Technik,
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6 zeigt
eine schematische Schnittansicht eines elektrodynamischen Schallwandlers
gemäß einem
ersten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung,
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7 zeigt
eine schematische Schnittansicht eines elektrodynamischen Schallwandlers
gemäß einem
ersten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung, und
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8 zeigt
eine schematische Schnittansicht eines elektrodynamischen Schallwandlers
gemäß einem
ersten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung.
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4 zeigt
eine schematische Schnittansicht eines elektrodynamischen Schallwandlers
gemäß dem Stand
der Technik mit einem innenliegenden Magnetsystem, welches ohne
ein Chassis 4 ausgeführt
ist. Hierbei ist der Napf 1 derart ausgebildet, dass er
die Funktion des Chassis 4 übernehmen und zur Positionierung
und Befestigung der Wandlerkomponenten dienen kann. Hierdurch kann
auf die Komponente des Chassis 4 verzichtet und damit der
Fertigungsaufwand für
den elektrodynamischen Schallwandler reduziert werden, ohne die
Eigenschaften des Schallwandlers wesentlich zu verändern.
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5 zeigt
eine schematische Schnittansicht eines elektrodynamischen Schallwandlers
gemäß dem Stand
der Technik mit einem außenliegenden
Magnetsystem, welches ebenfalls ohne ein Chassis 4 ausgeführt ist.
Der Schallwandler weist einen Napf 1, einen Permanentmagneten 2 und
eine Polplatte 3 auf. Der Permanentmagnet 2 ist
zwischen dem Napf 1 und der Polplatte 3 angeordnet.
Die magnetische Durchflutung, die von der magnetischen Feldstärke des
Permanentmagneten 2 hervorgerufen wird, durchströmt über die
jeweiligen Kontaktflächen die
Polplatte 3 und den Napf 1. Dabei hängt die
Richtung des magnetischen Flusses von der Orientierung des Permanentmagneten 2 ab.
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Im
Fluss der magnetischen Durchflutung befindet sich ferner ein Luftspalt 7a zwischen
der Polplatte 3 und dem Napf 1. In diesem Luftspalt 7a ist eine
Spule 5 vorhanden, die als Schwingspule bezeichnet wird.
Die Schwingspule 5 kann aus einer Spule mit mehreren einzelnen
Wicklungen oder auch aus einer Spule mit einer einzelnen Wicklung
in mehreren Lagen bestehen. Die Schwingspule 5 wird von einem
Strom durchflossen, der durch die Wechselwirkung mit dem magnetischen
Feld im Luftspalt 7a aufgrund der Lorentzkraft die Schwingspule 5 zu
einer Bewegung in Richtung der Pfeile der 1 anregen
kann. Dabei entspricht die Bewegungsrichtung der Schwingspule 5 der
Richtung der Achse der Rotationssymmetrie des Schallwandlers.
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Die
Schwingspule 5 ist mit der Membran 6 verbunden.
Durch die Schwingungen der Schwingspule 5 wird somit die
Membran 6 angeregt, die hierdurch die Schwingungen der
Schwingspule 5 in akustischen Schall umsetzt. Schwingspule 5 und
Membran 6 sind mit einer Abdeckkappe 8 verbunden,
die im Zentrum des Schallwandlers angeordnet ist. Am äußeren Rand
des Schallwandlers sind die Schwingspule 5 und die Membran 6 mit
einer sogenannten Spinne 9, auch Zentrierspinne genannt,
sowie einer sogenannte Sicke 10 mit einem Gestell 4, auch
als Chassis oder Korb bezeichnet, verbunden. Das Chassis 4 und
die Sicke 10 sind für
die Rückführung der
Membran 6 in die Ruhelage sowie für die Zentrierung der Schwingspule 5 verantwortlich.
Die Sicke 10 verhindert weiterhin einen direkten Luftaustausch
zwischen Vorder- und Rückseite
des Schallwandlers.
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Da
bei einem außenliegenden
Magnetsystem aus Gründen
der Stabilität
und zur Vermeidung von Beschädigungen
des außenliegenden
Permanentmagneten 2 das Magnetsystem selbst nicht direkt
zur Positionierung und Befestigung der weiteren Wandlerkomponenten
verwendet werden kann, ist der Napf 1 derart auszugestalten,
dass er wie bei einem innenliegenden Magnetsystem den Permanentmagneten 2 und
die Polplatte 3 umschließt. Hierdurch wird auch bei
einem außenliegenden
Magnetsystem ohne Chassis 4 der Napf zur Befestigung und Positionierung
genutzt und es kann auf die Komponente des Chassis 4 verzichtet
werden. Allerdings wird durch diese Ausgestaltung des Napfes 1 ein
weiterer Luftspalt 7b zwischen Napf 1 und Polplatte 3 erzeugt,
dessen magnetische Durchflutung nicht durch die Schwingspule 5 geführt wird,
damit nicht zur Erzeugung der akustischen Schwingungen der Membran 6 zur
Verfügung
steht und somit als Verlust der magnetischen Flussdichte anzusehen
ist.
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Dieser
Verlust an magnetischer Flussdichte kann durch eine möglichst
große
Ausgestaltung des Luftspaltes 7b entgegengewirkt werden,
da die magnetische Durchflutung umgekehrt proportional zur Abstand
zwischen den magnetisch leitenden Oberflächen des Napfes 1 und
der Polplatte 3 ist. Dieser möglichst große Abstand zwischen Napf 1 und
Polplatte 3 im Bereich des Luftspaltes 7b sowie
die gegenüber
einem außenliegenden
Magnetsystem mit Chassis 4 veränderte Ausgestaltung des Napfes 1 erfordern
zusätzlichen
Bauraum, wenn die Größe des Permanentmagneten 2 und
damit die im Magnetsystem zur Verfügung stehende Antriebskraft
beibehalten werden soll. Andererseits kann ein außenliegendes
Magnetsystem ohne Chassis 4 auch mit dem gleichen Bauraum
wie ein innenliegendes Magnetsystem ohne Chassis 4 ausgeführt werden.
Allerdings muss dann die Größe des Permanentmagneten 2 sowie
der Polplatte 3 entsprechend reduziert werden, um überhaupt
einen Luftspalt 7b zwischen Napf 1 und Polplatte 3 zu
schaffen und diesen Luftspalt 7b ferner derart groß auszugestalten,
dass die magnetischen Verluste im Luftspalt 7b möglichst gering
sind. Hierdurch wird die magnetische Durchflutung im Magnetsystem
und damit auch die Antriebskraft der Schallwandlers sehr stark verringert.
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6 zeigt
eine Prinzipskizze eines erfindungsgemäßen elektrodynamischen Schallwandlers mit
einem außenliegenden
Magnetsystem ohne Chassis 4. Dabei entspricht der Aufbau
des erfindungsgemäßen Schallwandlers
dem Aufbau des Schallwandlers gemäß 5.
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Der
erfindungsgemäße Schallwandler
gemäß 6 unterscheidet
sich dabei von dem Schallwandler gemäß 5 dadurch,
dass der Napf 1 im Bereich des Luftspaltes 7b erfindungsgemäß Durchbohrungen 11 aufweist.
Hierdurch ist an den Stellen der Durchbohrungen 11 des
Napfes 1 kein magnetisch leitendes Material sondern lediglich
Luft vorhanden. Auf diese Weise wird an diesen Stellen kein Luftspalt
zwischen Napf 1 und Polplatte 3 ausgebildet, da
das magnetisch leitende Material auf der Seite des Napfes 1 fehlt
und damit kein magnetischer Rückschluss
für die
magnetische Durchflutung auf der Seite des Napfes 1 vorhanden
ist, in den die aus der Polplatte 3 austretenden magnetischen
Feldlinien eintreten könnten.
Hierdurch wird an den Stellen der Durchbohrungen 11 des
Napfes 1 ein sehr hoher magnetischer Widerstand erzeugt
und damit die magnetische Durchflutung an diesen Stellen sehr stark reduziert.
Insgesamt kann hierdurch der Anteil der von dem Permanentmagneten 2 dem
Magnetsystem zur Verfügung
gestellten magnetischen Durchflutung, der durch den Luftspalt 7b hindurchtritt
und damit nicht der Schwingungsanregung der Schwingspule zur Verfügung steht,
reduziert und damit der Anteil der magnetischen Durchflutung, der
durch den Luftspalt 7a hindurchtritt und zur Schwingungsanregung
genutzt wird, im gleichen Maße
erhöht
werden.
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Dabei
wird der magnetische Gesamtwiderstand zwischen Napf 1 und
Polplatte 3 umso größer, desto
mehr bzw. größer flächige Durchbohrungen 11 im
Napf 1 vorhanden sind. Hierbei ist allerdings zu beachten,
dass die Durchbohrungen 11 auch die Stabilität des Napfes 1 reduzieren.
Die Stabilität
des Napfes 1 ist jedoch gerade daher bedeutend, dass bei
einem außenliegenden
Magnetsystem der Napf 1 als Chassis 4 zur Positionierung
und Befestigung der Wandlerkomponenten verwendet wird. Somit können bei
einem erfindungsgemäßen Schallwandler
lediglich so viele Durchbohrungen 11 im Napf 1 vorgesehen
werden, dass gleichzeitig der Napf 1 ausreichend stabil
ausgestaltet ist, um seiner Funktion als Chassis 4 gerecht
zu werden.
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Die
Durchbohrungen 11 bieten ferner den Vorteil, dass hierdurch
der Innenraum des Schallwandlers mit der Außenluft direkt verbunden wird. Dadurch
erfolgt eine Entlüftung
des Innenraumes des Schallwandlers, wodurch das Entstehen einer Luftfeder
im Bereich hinter Sicke 10 vermieden wird.
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Das
akustische Verhalten des Schallwandlers kann mittels der Durchbohrungen 11 gezielt
beeinflusst werden. So können
die Durchbohrungen 11 mit einem oder auch unterschiedlichen
Materialien versehen werden, wobei das akustische Verhalten sich über die
Wahl der Materialien und deren Anordnung verändern lässt. So können z. B. einzelne Durchbohrungen
teilweise oder auch vollständig
verschlossen werden, um die Dämpfung
des Schallwandlers zu beeinflussen. Erfolgt dabei das Verschließen oder
Verengen der Durchbohrungen 11 mit einem nicht oder zumindest
schlecht magnetisch leitenden Material, so wird der magnetische
Widerstand, der durch die Durchbohrungen 11 erreicht wird,
vollständig
oder zumindest weitestgehend beibehalten und dennoch der Schallwandler
bedämpft. Ferner
können
die Durchbohrungen 11 auch mit einem Material lediglich
derart verschlossen oder verengt werden, dass der Eintritt von Schmutz
oder Feuchtigkeit in den Innenraum des Schallwandlers vermieden
oder zumindest reduziert.
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Hinsichtlich
der Herstellung eines erfindungsgemäßen Schallwandlers ist vorteilhaft
hervorzuheben, dass bei der Einbringung der Durchbohrungen 11 kaum
Toleranzen zu beachten sind und die Form der Durchbohrungen 11 wenig
relevant ist. Lediglich der Teil der Durchbohrungen 11,
der sich in radialer Richtung gegenüber der Polplatte 3 befindet, führt zu einer
Erhöhung
des magnetischen Widerstandes zwischen Napf 1 und Polplatte 3.
Somit sind die Durchbohrungen 11 zumindest so groß auszuführen und
derart anzuordnen, dass die Durchbohrungen 11 mindestens
in radialer Richtung der Polplatte 3 gegenüber liegen.
Werden die Durchbohrungen 11 größer ausgeführt und liegen damit auch zumindest Teilbereichen
des Permanentmagneten 2 radial gegenüber, so wird durch diese Teilbereiche
der Durchbohrungen 11 der magnetische Widerstand zwischen Napf 1 und
Polplatte 3 nicht beeinflusst, d. h. weder vergrößert noch
verringert, da zwischen dem Permanentmagneten 2 und dem
Napf 1 keine radialen Feldlinien ausgebildet werden. Somit
können
die Durchbohrungen 11 auch größer ausgeführt werden als der Bereich
des Napfes 1, der der Polplatte 3 direkt radial gegenüber liegt.
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Ferner
können
die Durchbohrungen 11 auch in verschiedenen Formen ausgestaltet
werden. So können
die Durchbohrungen 11 eine kreisrunde Form aufweisen und
mittels eines Bohrens eingebracht werden. Andererseits lassen sich
die Durchbohrungen 11 auch mittels eines Fräsers mit
z. B. rechteckiger Kontur ausführen.
Hierbei sind möglichst
großflächig ausgestaltete
Durchbohrungen 11 besonders vorteilhaft, da der magnetische
Widerstand zwischen Napf 1 und Polplatte 3 umso
größer ist,
desto mehr magnetisch leitendes Material auf der Seite des Napfes 1 durch
Luft ersetzt wird. Somit sind Durchbohrungen 11 in der
Form eines Langloches oder einer rechteckigen Ausfräsung besonders
geeignet, einen hohen magnetischen Widerstand zu erzielen.
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Wird
der Napf 1 des erfindungsgemäßen Schallwandlers durch Tiefziehen
hergestellt, so kann das Einbringen der Durchbohrungen 11 bereits
vor dem Fertigungsschritt des Tiefziehens erfolgen. Dies ist sehr
vorteilhaft für
die Fertigung, da auf diese Weise das flache Rohmaterial gebohrt
oder gefräst
werden kann anstelle nach dem Schritt des Tiefziehens die Durchbohrungen 11 oder
Fräsungen
in den ausgeformten, dreidimensionalen Napf 1 einbringen
zu müssen.
Hierdurch wird die Fertigung deutlich vereinfacht, da sich flache
und gerade Bauteile gegenüber
gewellten oder gekrümmten
Bauteilen sehr viel einfacher und schneller zur Bearbeitung spannen lassen.
Da ferner die Toleranzen der Durchbohrungen 11 wenig relevant
für die
Fertigung sind, kann auch ein Verziehen der vor dem Schritt des
Tiefziehens eingebrachten Durchbohrungen 11 durch das Tiefziehen
weitgehend unbeachtet bleiben, solange die Form der Durchbohrungen 11 nach
dem Tiefziehen derart ausgestaltet ist, dass zumindest ein Teilbereich
der Durchbohrungen 11 der Polplatte 3 radial gegenüber liegt.
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Die
Erfindung betrifft den Gedanken, den Antrieb des Magnetsystems eines
Schallwandlers zu verstärken.
Dabei soll bei einer Optimierung der magnetischen Flussdichte im
Bereich der Wandlerspule gleichzeitig der Wandleraufbau vereinfacht
werden.
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Die
oben beschriebenen elektrodynamischen Wandler können in Lautsprechern, Kopfhörern, Ohrhörern, In-Ohr
Hörern,
Headsets oder in Mikrofonen verwendet werden.
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Die
magnetische Feldstärke
wird von dem Permanentmagneten zur Verfügung gestellt. Daher sollte
der Permanentmagnet aus einem Magnetwerkstoff bestehen, der eine
möglichst
hohe magnetische Feldstärke
besitzt. Über
die Kontaktflächen
zwischen Permanentmagnet und Polplatte bzw. Napf wird die magnetische
Feldstärke
als magnetischer Fluss weitergeleitet. Entsprechend ist für die Polplatte
und den Napf ein Werkstoff zu verwenden, der eine möglichst gute
magnetische Leitfähigkeit
besitzt. Ferner ist der magnetische Fluss umso größer, je
größer die
Kontaktflächen
zwischen Permanentmagnet und Polplatte bzw. Napf sind. Um eine möglichst
große
magnetische Flussdichte im Luftspalt und damit eine möglichst
große
Kraft zur Anregung der Schwingspule zu erreichen, ist ein möglichst
geringer radialer Abstand zwischen Polplatte und Napf im Bereich
des Luftspalts erwünscht.
Hingegen soll der Abstand zwischen Polplatte und Napf in axialer
Richtung des Schallwandlers möglichst
groß sein,
um eine geringere magnetischen Flussdichte in der Richtung der Achse
der Rotationssymmetrie zu erreichen, da dieser magnetische Fluss
nicht zur Schwingungsanregung genutzt werden kann.