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Elektromechanische Wandler mit Membranen sind vor allem Lautsprecher. Die übliche Bauweise für Lautsprecher ist gekennzeichnet durch die Anordnung eines Polkernes auf einer Polplatte, wobei der Polkern in einem definierten Abstand von einem Ringmagnet umschlossen wird. Auf dem Polkern ist der Schwingspulenträger ringförmig angeordnet, wobei dieser sowohl zum Polkern als auch zum Ringmagneten einen möglichst geringen Abstand besitzt, beide jedoch nicht berührt, und über den Polkern hinausragt.
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Auf dem Ringmagnet sitzt formschlüssig der Korb und im Korb liegt die schüsselförmige Membran, wobei die Schüssel am unteren Ende der Membran in einen Zylinder übergeht und dieser zylindrische Bereich in den Schwingspulenträger formschlüssig hineinragt und mittels Zentriermembran positioniert wird.
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Die schüsselförmige Membran kann an dem in den Schwingspulenträger hineinragenden Ende offen sein. Unabhängig ob die Membran im unteren Bereich offen oder geschlossen ist, wird sie von einer Staubschutzkalotte abgedeckt.
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Die Membran hat eine üblicherweise konisch verlaufende Außenkontur, beim Einsatz von Sandwichwerkstoffen davon abweichend eine flachverlaufende Außenkontur.
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Lautsprecher sind nach dem Stand der Technik zweiteilig aufgebaut, d. h. Schwingspulenträger und Membran sind zwei separate Bauteile, die sich nur im montierten Zustand ineinander oder übereinander berühren. Diese Bauweise führt zu einer hohen Masse und verhindert optimale Klangeigenschaften, denn die Fügestelle stellt eine Schwächung im Kraftfluss der Membran dar, der wiederum mit zusätzlichem Material ausgeglichen werden muss.
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Die Eigenschaften einer Membran für Lautsprecher werden bestimmt von ihrer Masse, ihrer Steifigkeit und ihrer inneren Dämpfung, wobei eine Kombination aus höchstmöglicher Steifigkeit und Dämpfung bei gleichzeitig geringst möglicher Masse anzustreben ist.
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Eine geringe Membranmasse liefert eine maximale Beschleunigung bei Impulsübergängen und sichert damit die beste Klangwiedergabe für feine Details.
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Weiterhin können durch eine geringe Membranmasse unerwünschte, durch die Trägheit der Membran hervorgerufene Dämpfungen und Verzerrungen des elektrischen Signals, welche sich insbesondere bei hohen Amplituden respektive hohen Lautstärken negativ auswirken können, vermindert werden.
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Die Steifigkeit der Membran ist wichtig, um über einen großen Frequenzbereich die Wirkung eines Medien verdrängenden Kolbens erzielen zu können. Steife Materialien werden bevorzugt für den Einsatz von Membranen mit einem großen Durchmesser eingesetzt, wobei die hohe Steifigkeit mit einer ausreichend hohen Festigkeit gepaart ist.
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Die innere Dämpfung verhindert Klingel- und Vibrationserscheinungen in der Struktur des Membran-Materials, die den Wiedergabeklang verfärben.
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Unter Beachtung der genannten Randbedingungen finden unterschiedliche Materialien Anwendung als Membran.
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Papier ist leicht, aber nicht besonders steif, jedoch mit guter innerer Dämpfung. Trotzdem leidet der Klang oft an der sogenannten „Pappe”-Einfärbung.
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Polypropylen ist relativ schwer, jedoch steifer als Papier. Die relativ hohe Masse beeinträchtigt die Klangwiedergabe in der Präzision. Der Ton neigt zu dumpfer Plastikfärbung.
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Auch Faserverbundwerkstoffe in Form von kunstharzversiegelten Fasergebilden kommen zum Einsatz, deren Klangwiedergabe eine deutliche Verbesserung gegenüber Papier/Pappe- bzw. Polypropylen-Membranen erkennen lässt.
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Am häufigsten verwendet werden heute Faserverbundwerkstoffe, die aus einer Kurzfaserpressmasse, Langfasern oder auch textilen Geweben bestehen und zur Gewährleistung einer ausreichenden Steifigkeit mit Kunstharz versiegelt werden.
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Insbesondere wegen ihrer guten Dämpfungseigenschaften werden auch Aramidfasern als Membranwerkstoff eingesetzt. Kohlenstoff- und Glasfaserwerkstoffe finden ebenfalls Verwendung.
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Zur Verbesserung der Dämpfungseigenschaften sind auch Lösungen bekannt, in denen bekannte Werkstoffe mit Mikrohohlkugeln gefüllt sind.
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Aus
DE 38 30 135 A1 ist eine Kohlenstoffmembran für Lautsprecher aus einem kohlenstoffhaltigen Werkstoffverbund bekannt, wobei ein Kohlenstoffwerkstoff aus einer Kohlenstofffaser mit hoher Elastizität gebildet wird und der übrige Kohlenstoffwerkstoff mit hoher Elastizität und hoher Genauigkeit ohne Risse auf den ersten Kohlenstoffwerkstoff aufgebracht wird.
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Im Ergebnis wird eine Kohlenstoffmembran erhalten, die aus einer inneren Skelettschicht aus porösem Material besteht, auf der eine dichte Schicht Kohlenstoff aus einem Kohlenstofffaser-Harzkohlenstoff-Verbund thermisch abgeschieden wird.
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Durch Anlegen einer Wechselspannung an der Schwingspule, welche sich auf dem Schwingspulenträger befindet und mit diesem fest verbunden ist, wird in der Schwingspule ein Magnetfeld erzeugt. Das Magnetfeld übt aufgrund des gegenwirkenden Magnetfeldes des umgebenden Ringmagneten eine Kraftwirkung auf die Schwingspule respektive den Schwingspulenträger aus. Die Schwingspule und der damit verbundene Schwingspulenträger bilden somit den Antrieb der Membran. Die Membran gibt die eingeleitete Kraftwirkung auf größerer Fläche an ein Kontaktmedium weiter. Im Fall eines Lautsprechers erfolgt der Kraftfluss von der elektromagnetisch angeregten Schwingspule auf den Schwingspulenträger, weiter über die Fügestelle zwischen Schwingspulenträger und Membran auf die Membran und anschließend durch die Membran mittels Kontakt zur umgebenden Luft.
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Die Druckschrift
DE 600 28 714 T2 offenbart ein Lautsprechergerät, welches eine Lautsprechermembran und einen Mechanismus zum Antrieb der Membran umfasst. Eine Sicke und ein Dämpfer stützen die Membran in einem Rahmen ab. An der Membran eine ist Schwingspule befestigt, bestehend aus einem zylindrischen Teil, welcher eine Spulenwicklung trägt. Wie bei allen vorstehend beschriebenen Bauweisen für elektrische Wandler, insbesondere Lautsprechern, üblich, sind auch in der Ausführung nach der Druckschrift
DE 600 28 714 T2 die Membran und der Schwingspulenträger verschiedene Bauteile, die miteinander gefügt werden.
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Allen bekannten Bauweisen für elektromechanische Wandler mit Membran insbesondere allen Lautsprecherbauweisen unter Verwendung der verschiedenen Membranwerkstoffe ist, wie bereits ausgeführt, gemeinsam, dass die Membran vom Schwingspulenträger getrennt angeordnet ist.
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Der zweiteilige Aufbau der Membran hat den Nachteil, dass der Kraftfluss vom Schwingspulenträger zur Membran unterbrochen wird bzw. die Fügestelle zwischen Schwingspulenträger und Membran überwunden werden muss. Die Fügestelle führt auch zu einem Steifigkeitssprung zwischen Membran und Schwingspulenträger, was wiederum unerwünschte Deformationen der Membran verursacht und auch die Klangwiedergabe verfälscht. Die Trennung von Schwingspule und Membran durch eine Fügestelle ist weiter der Grund für die kosten- und materialintensive Fertigung der Lautsprecher, denn einmal werden sie getrennt hergestellt und zweitens ist ein weiterer Fertigungsschritt, die Montage, erforderlich. Die Fügestelle ist eine potentielle Schwachstelle auch mit Auswirkungen auf die Lebensdauer der Lautsprecher. Bekanntlich geht ein hoher Leichtbaugrad eng mit einer optimalen Gestaltung des Kraftflusses einher, und verhindert sowohl für die Membran als auch für den Schwingspulenträger die masseoptimale Gestaltung.
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Vor diesem technischen Hintergrund stellt sich die Erfindung die Aufgabe, eine Membran für einen elektromechanischen Wandler zu entwickeln, wobei Schwingspulenträger und Membran keine Fügestelle mehr aufweisen.
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Die Aufgabe der Erfindung wird dadurch gelöst, dass die Membran aus einem geformten und verfestigten textilen Schlauch gebildet ist und einen oberen, schallabstrahlenden Bereich und einen unteren, zylinderförmigen Bereich aufweist, über die sich der textile Schlauch erstreckt, wobei der untere zylinderförmige Bereich als Träger einer Schwingspule ausgebildet ist.
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Für die Membran ist ein textiler Schlauch eingesetzt. Die so gebildete Membran reicht bis an den Polkern, den sie mit ihrem zylindrischen Bereich umschließt. Zur Herstellung der einteiligen Ausführung der Membran wird der textile Schlauch nach einem speziellen Verfahren geformt und nach der Formgebung verfestigt. Der den Polkern umschließende Bereich der Membran ist so ausgebildet, dass er die Schwingspule trägt. Die Membran ist gleichzeitig der Schwingspulenträger, was das wesentliche Merkmal der Erfindung ist. Die separate Anordnung des Schwingspulenträgers ist eliminiert. Die einteilige Ausführung von Membran und Schwingspulenträger verringert die Masse der Membran signifikant und erzeugt ein wesentlich besseres Impulsansprechverhalten und verringert die Gefahr von klanglichen Verzerrungen.
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Textile Schläuche sind gewebt, gestrickt, genadelt oder geflochten. Textile Schläuche zeichnen sich durch eine enorm hohe Anpassungsfähigkeit auch an komplizierte Geometrien aus und das ist eine Grundvoraussetzung an das Material für den erfindungsgemäßen Verwendungszweck. Eine hohe Gestaltungsfreiheit beim Herstellen der Membran ist die Garantie für die Integration des Schwingspulenträgers in die Membran und damit die Gewährleistung einer sehr guten Krafteinleitung und -Übertragung vom Bereich der Schwingspule in den schallabstrahlenden Bereich der Membran. Weiter wird die Materialmasse verringert, wodurch das Impuls-Ansprechverhalten der Membran wesentlich verbessert ist und Verzerrungen der Klangwiedergabe fast vermieden werden. Weitere positive Folgen sind Kostenersparnisse beim Materialeinsatz, der Fertigung durch Wegfall des Fertigungsschrittes Montage und eine Verlängerung der Lebensdauer der Lautsprecher.
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Nach einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung wird als Material für die Membran ein geflochtener textiler Schlauch aus Kohlenstofffasern verwendet. Kohlenstofffasern sind aufgrund ihrer hohen spezifischen Steifigkeit und Festigkeit bei gleichzeitig guter innerer Dämpfung besonders geeignet für die Verwendung als Membranwerkstoff.
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Am Beispiel eines Lautsprechers mit einer schüsselförmigen Membran wird die Erfindung näher erläutert. Dabei zeigen die Abbildungen:
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1 Lautsprecher, Schnittdarstellung
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2 Membran, Detailansicht
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3 Membran mit Einlage, Detailansicht
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4 Lautsprecher mit ebener Membran, Schnittdarstellung
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5 ebene Membran, Detailansicht
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6 Werkzeugform für ebene Membran, Schnittdarstellung
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Unverändert bleibt bei allen Lautsprechern die Anordnung von Polplatte 4, Polkern 7 und Ringmagnet 5, wie in 1 dargestellt.
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Auf der Polplatte 4 ist Polkern 7 zentriert angeordnet, der in einem definierten Abstand von einem Ringmagnet 5 vollständig umschlossen wird. Auf dem oberen Ende des Ringmagnetes 5 sitzt formschlüssig Korb 2. Am oberen, offenen Ende von Korb 2 ist eine Gummimembran 8 angeordnet, die mit einer in den offenen Innenraum hinein ragenden Wölbung abschließt. Auf der Wölbung von Gummimembran 8 liegt die nach der Erfindung geformte schüsselförmige Membran 1 aus einem textilen Schlauch, im Beispiel geflochtene Kohlefaserstränge, auf. Am Übergang vom oberen schüsselförmigen in den unteren zylinderförmigen Bereich 1.2 von Membran 1 wird der untere zylinderförmige Bereich 1.2 der Membran 1 mit einer Zentriermembran 3 positioniert und so ein enger Spalt zwischen dem unteren zylinderförmigen Bereich 1.2 von Membran 1 und dem Polkern 7 garantiert. Beide Bereiche 1 und 1.2 der einteiligen Membran 1 (oberen schüsselförmiger Bereich 1 und unterer zylinderförmiger Bereich 1.2), die aus dem Schlauch 10 gebildet sind, sind gut in 2 ersichtlich. Der Schlauch 10 nach 2 weist mehrere Lagen auf.
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Auf dem unteren zylinderförmigen Bereich 1.2 von Membran 1 ist die Schwingspule 6 im bestimmten Abstand zum Ringmagnet 5 angeordnet. In bekannter Weise wird der untere zylindrischen Bereich 1.2 von Membran 1 mit einer konvex geformten Staubschutzkalotte 9 zum Schutz von Polkern 7 abgedeckt. Die Membran 1 nach der Erfindung umschließt auch Polkern 7 und kann dadurch gleichzeitig die Schwingspule 6 tragen, Membran 1 ist also gleichzeitig als Schwingspulenträger ausgebildet. Dadurch wird der Kraftfluss nicht mehr unterbrochen und die Klangwiedergabe durch die gleichzeitig gesenkte Membranmasse sowie den vermiedenen Steifigkeitssprüngen zwischen Membran und Schwingspulenträger enorm verbessert.
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Die nach der Erfindung geformte Membran 1 wird beispielsweise wie im Folgenden beschrieben hergestellt. Ein aus Kohlefasersträngen geflochtener Schlauch ist extrem dehnbar, insbesondere örtlich begrenzt extrem dehnbar.
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Der aus Kohlefasersträngen geflochtene Schlauch 10, im folgenden als Kohlefaserschlauch 10 bezeichnet, wird in die untere Werkzeugformhälfte 14, wie sie 6 zeigt, eingelegt, wobei der Kohlefaserschlauch 10 am oberen Ende gestülpt wird und parallel als zweite Lage zum unteren Ende zurückgeführt wird. Eine Ausführung dieses zweilagigen Kohlefaserschlauches 10, der den oberen schüsselförmigen Bereich 1 und den unteren zylinderförmigen Bereich 1.2 der Membran 1 bildet, ist in 3 dargestellt. Durch das Stülpen des Kohlefaserschlauches 10 wird eine saubere und geschlossene Kante gewährleistet.
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Der Kohlefaserschlauch 10 liegt in der unteren Werkzeugformhälfte 14 doppelt. Mit der oberen Werkzeugformhälfte 13 wird die Werkzeugform unter Anordnung der Dichtungen 15 luftdicht verschlossen. Am unteren Ende bleibt der Kohlefaserschlauch 10 offen und bildet eine Röhre, die später den Polkern 7 umschließt.
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In der unteren Werkzeugformhälfte 14 ist eine Zuführung 16 angeordnet, über die nun vakuumgestützt ein bekanntes Reaktionsharz infiltriert wird. Nach dem Aushärten des Reaktionsharzes wird die obere Werkzeugformhälfte 13 wieder entfernt und die Werkzeugform geöffnet, die formstabile Membran 1 wird entnommen und in den Lautsprecher eingebaut, wie in 1 dargestellt ist.
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Die einteilige Membran 1 nach der Erfindung verbessert einmal die Wiedergabeeigenschaften des Lautsprechers deutlich und ist gleichzeitig einfacher als bisher in der Herstellung, Material sparend und wartungsarm.
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Eine Variante der Erfindung ist die Herstellung von Membranen 1 mit Einlagen 11, wie in 3 dargestellt, die bei großen Lautsprechern zum Einsatz kommen. Das Verfahren zur Herstellung ist wie in Ausführungsbeispiel 1 beschrieben. Zwischen die Lagen des Kohlefaserschlauches 10 wird eine Einlage 11 eingelegt, die bevorzugt aus Schaumstoff ist.
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Einlage 11 sichert die Stabilität bei Membranen für groß dimensionierte Lautsprecher, die insbesondere bei Bassboxen bzw. PA-Lautsprechern verwendet werden.
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4 zeigt einen Lautsprecher mit einer ebenen Membran 1. Derartige Lautsprecher finden aufgrund ihrer flachen Bauweise beispielsweise bei Wand- oder Deckenlautsprechern oder auch im Car-Acoustic Bereich aufgrund des dort vorherrschenden Platzmangels Anwendung.
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Die Werkzeugform für solche Lautsprecher ist in 6 dargestellt. Die Herstellung ist wie in Ausführungsbeispiel 1 beschrieben.
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Der Kohlefaserschlauch 10 wird abweichend von Ausführungsbeispiel 1 in einem begrenzten Bereich um einen Schaumstoffkern 12 gelegt, wobei der Schaumstoffkern 12 in seiner Kantenlänge von der Lautsprechergröße bestimmt wird. Schaumstoffkern 12 garantiert die Stabilität des ebenen Bereiches von Membran 1. Der untere zylinderförmige Bereich 1.2 von Membran 1 ist wie in Ausführungsbeispiel 1 beschrieben gestaltet und hat gleichzeitig die Funktion des Schwingspulenträgers.
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Die Anwendung eines textilen Schlauches nach der Lehre der Erfindung eröffnet der Formgebung der Membran 1 alle geometrisch denkbaren Möglichkeiten. Insbesondere sind an den Einsatzfall angepasste Membrangestaltungen, z. B. unsymmetrische Gestaltung, flächige Verrippung, sich ändernde Profilquerschnitte, selbst Übergänge von einer Rohr- in die Scheibenform, einfach und reproduktionssicher realisierbar.
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Von der Erfindung werden auch Lösungen erfasst, wo der textile Schlauch 10 aus mehreren ineinander geführten Einzelschläuchen besteht. Dabei kann die Länge der Einzelschläuche unterschiedlich sein, so dass z. B. ein Einzelschlauch beispielsweise nur die Membran 1 ohne den unteren zylinderförmigen Bereich 1.2 durchzieht.
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Durch extreme Formgebung eventuell entstandene Löcher im textilen Schlauch werden bei der Formgebung mit der erforderlichen Menge Reaktionsharz ausgefüllt und geschlossen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Membran, oberer Bereich
- 1.2
- Membran, unterer Bereich
- 2
- Korb
- 3
- Zentriermembran
- 4
- Polplatte
- 5
- Ringmagnet
- 6
- Schwingspule
- 7
- Polkern
- 8
- Gummimembran
- 9
- Staubschutzkalotte
- 10
- textiler Schlauch
- 11
- Einlage
- 12
- Schaumstoffkern
- 13
- obere Werkzeugformhälfte
- 14
- untere Werkzeugformhälfte
- 15
- Dichtung
- 16
- Zuführung
