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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Biegewellenlautsprecher gemäß Anspruch 1, der eine Biegewellenmembran sowie eine Anregungsvorrichtung umfasst, um die Biegewellenmembran in Schwingungen zu versetzen.
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Bei Biegewellenlautsprechern schwingt die gesamte Biegewellenmembran, die durch die an einer Seite der Biegewellenmembran angebrachte Anregungsvorrichtung in Schwingungen versetzt wird. Biegewellen breiten sich entlang der Biegewellenmembran aus und erzeugen auf diese Weise den Schall.
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Da sich der Frequenzgang solcher Lautsprecher aus zahlreichen einzelnen Resonanzen zusammensetzt, werden sie auch als Multiresonanzplatten oder DML (Distributed Mode Loudspeaker) bezeichnet. Ebenfalls werden die Begriffe Biegewellenwandler und Flat Panel verwendet.
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Ein Biegewellenlautsprecher mit poröser Schallabsorptionsschicht ist aus der
US 6324294 B1 bekannt. Diese Druckschrift offenbart, einen Biegewellenlautsprecher auch als Lautsprecher mit einer textilen Dekorschicht versehen als Teil der Innenraumverkleidung im Innenraum eines Kraftfahrzeugs einzusetzen. Die aus der
US 6324294 B1 bekannte poröse Schallabsorptionsschicht ist geschäumt.
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Weitere Biegewellenlautsprecher mit poröser Schallabsorptionsschicht, welche zum Einsatz als Innenraumverkleidung in einem Kfz ausgebildet sind, sind aus der
WO 99/11490 A1 bekannt, die einen Biegewellenlautsprecher mit geschäumter Kernschicht und darauf angeordneten Hautschichten aus wiederum Schaum oder einer Wabenstruktur offenbart.
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Die
WO 97/09844 A1 offenbart Biegewellenlautsprecher mit zelligem Kern und einer Außenhaut als Teil eines Fahrzeugsitzes, etwa der Fahrzeuglehne, oder einer Fahrzeugtür zur Beschallung des Fahrzeuginnenraums.
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Aus der
DE 103 03 247 A1 sind Biegewellenlautsprecher bekannt, bei denen als Biegewellenmembranen Sandwichplatten zum Einsatz kommen, die einen Papierwabenkern oder einen Hartschaum als Kernschicht sowie dünne Metallfolien, glasfaserverstärktes Gewebe oder Kunststofffolien als Abdeckschichten umfassen.
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An den Biegewellenmembranen der aus der
DE 103 03 247 A1 bekannten Biegewellenlautsprecher wird auftreffender Schall weitgehend reflektiert, was sich insbesondere beim Einsatz großflächiger Biegewellenlautsprecher ungünstig auf die Raumakustik auswirken kann.
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Vor dem Hintergrund dieses Standes der Technik besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, die bekannten Biegewellenlautsprecher so weiterzuentwickeln, dass durch einen Biegewellenlautsprecher die Sicherheit der Betriebsumgebung von Elektrofahrzeugen erhöht wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Biegewellenlautsprecher mit allen Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Ein solcher Biegewellenlautsprecher umfasst eine aus dem Stand der Technik an sich bereits bekannte Biegewellenmembran, welche eine poröse Schallabsorptionsschicht aufweist.
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Auf die Biegewellenmembran auftreffende Schallenergie kann in der Schallabsorptionsschicht wenigstens teilweise durch Reibung der Luftmoleküle an den Porenoberflächen in Wärme umgewandelt werden. Die Biegewellenmembran des erfindungsgemäßen Biegewellenlautsprechers ist also absorptiv wirksam.
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In Experimenten der Anmelderin hat sich in für den Fachmann überraschender Weise gezeigt, dass sich auch mit schallabsorbierend wirkenden Biegewellenmembranen eine gute Klangqualität bei der Schallabgabe erreichen lässt.
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Wie nachfolgend noch genauer beschrieben wird, können außerhalb der vorliegenden Erfindung Biegewellenlautsprecher insbesondere als Verkleidungsbauteile für Kraftfahrzeuge oder auch für Innenräume eingesetzt werden und dort gleichzeitig zur Übertragung akustischer Signale, etwa Warnsignale, Musik oder Sprache, und zur Absorption von ungewünschten Geräuschen dienen.
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Es hat sich herausgestellt, dass eine gute Klangqualität bei gleichzeitiger Absorption unerwünschter Geräusche erzielt werden kann, wenn die Schallabsorptionsschicht eine Porosität von etwa 45% bis etwa 75% aufweist. Als Porosität wird dabei das Verhältnis von Hohlraumvolumen zu Gesamtvolumen eines Materials bezeichnet. Bevorzugt beträgt die Porosität der Schallabsorptionsschicht etwa 60%.
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Es ist gemäß einer Alternative der vorliegenden Erfindung vorgesehen, dass eine äußere, freiliegende Oberfläche der Biegewellenmembran wenigstens abschnittsweise durch die Schallabsorptionsschicht gebildet ist, so dass auf die Biegewellenmembran auftreffender Schall direkt auf die Schallabsorptionsschicht auftrifft und dort absorbiert werden kann.
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Aus optischen Gründen, zum Schutz vor äußeren Einflüssen, oder um zu verhindern, dass sich beispielsweise aus dem Vliesmaterial der Schallabsorptionsschicht herausstehende Fasern an Fremdkörpern verhaken, ist gemäß einer anderen Alternative der vorliegenden Erfindung vorgesehen, dass die Biegewellenmembran weiter eine die Schallabsorptionsschicht wenigstens abschnittsweise bedeckende und mit dieser in Kontakt stehende Zusatzschicht umfasst, die wenigstens einen Abschnitt der äußeren, freiliegenden Oberfläche bildet.
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Damit der auf den Biegewellenlautsprecher auftreffende Schall in die Schallabsorptionsschicht gelangen und absorbiert werden kann, ist die Zusatzschicht erfindungsgemäß derart ausgebildet , dass sie einen spezifischen Strömungswiderstand von weniger als 100 Pas/m aufweist. Bevorzugt kann sie einen spezifischen Strömungswiderstand von weniger als 75 Pas/m, noch mehr bevorzugt von weniger als 50 Pas/m aufweisen. Der spezifische Strömungswiderstand ist hierbei nach DIN EN 29053 zu messen.
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Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass die Zusatzschicht weitgehend schalldurchlässig ist, den auftreffenden Schall also nicht beeinflusst. Es soll aber auch nicht ausgeschlossen sein, dass auftreffende Schallenergie zumindest teilweise in der Zusatzschicht selbst in Wärme umgewandelt wird.
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Eine weitgehende Schalldurchlässigkeit kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass die Zusatzschicht eine Porosität aufweist, die größer ist, als diejenige der Schallabsorptionsschicht. Alternativ oder zusätzlich kann die Zusatzschicht auch aus einem Material gleicher oder geringerer Porosität als die Schallabsorptionsschicht aber mit einer so geringen Dicke ausgeführt sein, dass sie den auftreffenden Schall nicht oder nur wenig beeinflusst.
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Es kann vorgesehen sein, dass die Zusatzschicht derart ausgebildet ist, dass sie im Mittelwert über die Frequenzen des hörbaren Bereichs weniger als 50% der auftreffenden Schallenergie reflektiert, bevorzugt weniger als 10%, noch mehr bevorzugt weniger als 5%. Der Frequenzbereich des hörbaren Schalls liegt zwischen etwa 16 Hz und etwa 20 kHz.
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Die gewünschte Porosität in Kombination mit einem geringen Gewicht und leichter Verarbeitbarkeit kann in einfacher Weise dadurch erreicht werden, dass die Schallabsorptionsschicht ein Vlies umfasst, welches vorzugsweise Glasfasern oder/und Polypropylenfasern enthält. Bevorzugt ist die Schallabsorptionsschicht ein aus Glas- oder/und Polypropylenfasern zusammengesetztes Vlies. Es soll aber auch nicht ausgeschlossen sein, dass die Schallabsorptionsschicht ein, vorzugsweise offenporiges, Schaummaterial umfasst.
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Es ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Biegewellenmembran weiter eine Kernschicht umfasst, wobei die Schallabsorptionsschicht eine Seite der Kernschicht wenigstens abschnittsweise, vorzugsweise vollständig abdeckt. Die Kernschicht kann beispielsweise dazu beitragen, dass die Biegewellenmembran eine für die Ausbreitung von Biegewellen erwünschte Biegesteifigkeit aufweist.
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Grundsätzlich kann vorgesehen sein, dass die Kernschicht nur auf einer Seite wenigstens abschnittsweise von der Schallabsorptionsschicht abgedeckt ist. Diese Seite ist vorzugsweise diejenige Seite der Kernschicht, die zu einem Schallabgabebereich weist, also zu einem Bereich, in welchen der von dem Biegewellenlautsprecher im Betrieb erzeugte Schall abgegeben werden soll.
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Bevorzugt ist die Kernschicht jedoch beidseitig von jeweils einer Schallabsorptionsschicht wenigstens abschnittsweise abgedeckt, so dass von beiden Seiten auf die Biegewellenmembran auftreffender Schall in einfacher Weise absorbiert werden kann.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung weist die Kernschicht eine poröse Struktur auf, insbesondere eine offenporige Struktur, bevorzugt mit einer Porosität von etwa 85% bis etwa 95%, so dass auch die Kernschicht eine Schall absorbierende Wirkung aufweist.
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Es soll weiter grundsätzlich nicht ausgeschlossen sein, dass die einzelnen Schichten der Biegewellenmembran, selbst wieder aus mehreren Schichten zusammengesetzt sind.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Kernschicht einen spezifischen Strömungswiderstand von nicht mehr als 400 Pas/m aufweist, vorzugsweise von nicht mehr als 100 Pas/m, oder/und dass die Schallabsorptionsschicht bzw. die Schallabsorptionsschichten jeweils einen spezifischen Strömungswiderstand von 200 bis 3000 Pas/m aufweisen, vorzugsweise von 300 bis 2400 Pas/m, besonders bevorzugt von 300 bis 1000 Pas/m, um eine Biegwellenmembran mit gewünschten akustischen Eigenschaften, insbesondere mit einer gewünschten Schall absorbierenden Wirkung zu erhalten. Höchst bevorzugt weist nach ersten Versuchen die Schallabsorptionsschicht einen spezifischen Strömungswiderstand im Bereich von 400 bis 600 Pas/m auf.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung ist weiter vorgesehen , dass die Schallabsorptionsschicht ein poröses Material umfasst, welches ein thermoplastisches Bindemittel und ein Fasermaterial enthält. Auch die Kernschicht kann ein poröses Material umfassen, welches ein thermoplastisches Bindemittel und ein Fasermaterial enthält.
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Dies schafft die Voraussetzungen dafür, dass die Biegewellenmembran in einer gewünschten, auch dreidimensionalen Form unter Einsatz von Druck und Wärme aus einem plattenförmigen Halbzeug hergestellt werden kann, was die Integration des erfindungsgemäßen Biegewellenlautsprechers in ein nahezu beliebiges Bauteil ermöglicht. Die Notwendigkeit, einen separaten Lautsprecher vorzusehen, entfällt somit.
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Im Gegensatz hierzu lassen sich die bekannten Sandwichplatten nur sehr eingeschränkt verformen, was die Integration der bekannten Biegewellenlautsprecher in nicht plattenförmige Bauteile verhindert oder zumindest erschwert.
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Weiterhin weisen derartige erfindungsgemäße Biegewellenmembranen im Vergleich zu den einleitend beschriebenen Sandwichplatten mit Papierwabenkern eine deutlich höhere innere Dämpfung auf.
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Bei konventionellen Biegewellenlautsprechern ergibt sich aufgrund der verhältnismäßig geringen inneren Dämpfung die Notwendigkeit einer zusätzlichen Bedämpfung im Randbereich, um Biegewellen-Reflexionen und somit Resonanzüberhöhungen im Frequenzgang zu vermeiden. Dies wird in der Regel über Rahmen mit weichem Dämpfungsmaterial realisiert, in welche die Biegewellenmembran eingespannt wird.
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Auf eine solche zusätzliche Bedämpfung des Randbereichs der Biegewellenmembran kann bei den vorstehend beschriebenen, erfindungsgemäßen Biegewellenlautsprechern weitgehend verzichtet werden, was die Gestaltungsfreiheit für die Lautsprecher weiter erhöht.
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Vorzugsweise besteht die Kernschicht oder/und die Schallabsorptionsschicht aus einem porösen Material, welches bevorzugt aus dem thermoplastischen Bindemittel und dem Fasermaterial gebildet ist.
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Bei der Herstellung der Biegewellenmembran aus dem plattenförmigen Halbzeug wird dieses soweit erwärmt, dass das Bindemittel fließfähig wird, Abschnitte der Fasern benetzt und diese in der gewünschten dreidimensionalen Form miteinander netzartig verbindet. Damit die Kernschicht die gewünschte Porosität erhält, sollten dabei die Fasern des Fasermaterials weitgehend im festen Zustand verbleiben. Daher ist bevorzugt, dass das Fasermaterial einen höheren Schmelzpunkt bzw. eine höhere Erweichungstemperatur aufweist als das Bindemittel
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Als geeignete thermoplastische Bindemittel haben sich Polyolefine herausgestellt, insbesondere Polypropylen.
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Aufgrund der verhältnismäßig hohen Schmelzpunkte dieser Materialien ist bevorzugt, dass das Fasermaterial Glasfasern (GF), Mineralfasern, Polyamidfasern (PA-Fasern), Polyethylenterephthalatfasern (PET-Fasern) oder Mischungen daraus umfasst beziehungsweise daraus besteht.
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Die Kernschicht oder/und die Schallabsorptionsschicht kann auf einfache Weise aus einem zwei-Komponenten-Fasermaterial mit höher und niedriger schmelzenden Fasern (zum Beispiel Glas- und Polypropylenfasern) hergestellt werden, wobei die Faser-Komponente mit dem niedrigeren Schmelzpunkt das thermoplastische Bindemittel bildet.
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Eine gewünschte hohe innere Dämpfung und Schall absorbierende Eigenschaften können erreicht werden, wenn die Kernschicht einen Faseranteil von etwa 30 bis etwa 50 Massenprozent, bevorzugt etwa 40 Massenprozent, und einen Bindemittelanteil von etwa 50 bis etwa 70 Massenprozent , bevorzugt etwa 60 Massenprozent, aufweist.
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Für die Schallabsorptionsschicht hat sich ein Faseranteil von etwa 15 Massenprozent bis etwa 35 Massenprozent, bevorzugt ca. 25 Massenprozent, und ein Bindemittelanteil von etwa 65 Massenprozent bis etwa 85 Massenprozent, bevorzugt etwa 75 Massenprozent, als ein vorteilhafter Kompromiss zwischen Schallabsorption, Gewicht und Biegesteifigkeit herausgestellt, um eine gewünschte Schall absorbierende Wirkung zu erzielen.
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Im Falle eines zwei-Komponenten-Fasermaterials ist unter Faseranteil hier der Anteil der höher schmelzenden Faser-Komponente zu verstehen.
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Die Porosität der Kernschicht, beeinflusst unter anderem wesentlich die akustischen Eigenschaften der Biegewellenmembran. Hier haben sich Porositäten von etwa 85% bis etwa 95% als günstig herausgestellt.
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Insbesondere können aus dem Gebiet der Kraftfahrzeug-Verkleidungsbauteile bekannte LWRT-Materialien als Material der Biegewellenmembran zum Einsatz kommen.
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LWRT-Materialien (LWRT: Light Weight Reinforced Thermoplastics) bestehen aus einem porösen, faserverstärkten Kern aus einem thermoplastischen Werkstoff und Deckschichten aus faserverstärkten Folien oder Vliesen, wobei die Porosität der Kernschicht höher ist als die Porosität der Deckschichten. In bestimmten Teilbereichen eines Bauteils, die zum Beispiel im Einsatz besonderen Beanspruchungen ausgesetzt sind, kann das LWRT-Material lokal kompaktiert sein, so dass die Porosität der Kernschicht in diesen Teilbereichen gegenüber der Porosität der Kernschicht im restlichen Bauteil deutlich reduziert ist.
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Es kann vorgesehen sein, dass die Kernschicht und zumindest eine Schallabsorptionsschicht, vorzugsweise mehrere oder alle Schichten der Biegewellenmembran, aus dem gleichen Ausgangsmaterial (etwa Polypropylen und Glasfasern) in verschiedenen Verdichtungsgraden bestehen, so dass die Biegewellenmembran weitgehend sortenrein ist, was insbesondere im Hinblick auf eine spätere Entsorgung Vorteile bietet.
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LWRT-Materialien zeichnen sich durch eine hohe Biegesteifigkeit bei geringem Gewicht aus und sind daher zur Herstellung von Kraftfahrzeug-Verkleidungsbauteilen besonders geeignet. Im Experiment hat sich herausgestellt, dass sich gerade diese Materialien auch als Biegewellenmembranen eignen, so dass entsprechende erfindungsgemäße Biegewellenlautsprecher nicht nur an sich realisiert sondern auch auf einfache Weise in verschiedenartige Bauteile integriert werden können.
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Insbesondere kann das unter dem Markennamen Seeberlite bekannte Sandwich-Material der Firma Röchling Automotive als Biegewellenmembran verwendet werden.
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Entsprechend den gewünschten Eigenschaften der Biegewellenmembran kann vorgesehen sein, dass diese um die Kernschicht herum symmetrisch aufgebaut ist, also auf beiden Seiten der Kernschicht die gleiche Anzahl von Schallaborptionsschichten und ggf. Zusatzschichten mit jeweils gleichem Aufbau aufweist. Es soll aber auch nicht ausgeschlossen sein, ein solches, zunächst symmetrisch aufgebautes Sandwichmaterial an wenigstens einer Seite mit wenigstens einer weiteren Zusatzschicht zu versehen, etwa einem Dekorvlies oder einer zusätzlichen Schutzschicht.
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Die Biegewellenmembran ist bevorzugt abschnittsweise gekrümmt ausgebildet. Damit kann der Biegewellenlautsprecher auf unauffällige Weise nicht mehr nur in ebene plattenförmige sondern in nahezu beliebige Bauteile integriert werden.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung kann insbesondere vorgesehen sein, dass die Biegewellenmembran wenigstens einen Abschnitt eines Verkleidungsbauteils für ein Kraftfahrzeug bildet. Somit entfällt die Notwendigkeit eines separaten Lautsprechers, so dass bei der optischen Gestaltung des Fahrzeugs hierauf keine Rücksicht genommen werden muss.
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Beispielsweise kann die Biegewellenmembran wenigstens einen Abschnitt eines Verkleidungsbauteils für den Innenraum eines Kraftfahrzeugs bilden, insbesondere einen Abschnitt einer Türverkleidung.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Biegewellenmembran wenigstens einen Abschnitt einer Unterbodenverkleidung eines Kraftfahrzeugs bildet, insbesondere eines elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugs.
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In beiden Fällen weist die äußere, freiliegende Oberfläche der Biegewellenmembran, die wenigstens abschnittsweise von der Schallabsorptionsschicht oder/und der Zusatzschicht gebildet ist, bevorzugt von der Karosserie des Kraftfahrzeugs weg, an welcher der Biegewellenlautsprecher angebracht ist, im Falle einer Türverkleidung weist sie also zum Fahrgastraum, im Falle einer Unterbodenverkleidung zur Fahrbahn.
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Elektrisch angetriebene Fahrzeuge stellen aufgrund ihres sehr leisen Fahrgeräusches ein nicht unbeträchtliches Risiko für den Verkehr dar, insbesondere für Fußgänger, die das näher kommende Fahrzeug oft erst sehr spät bemerken.
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Daher wird insbesondere Schutz beansprucht für die Verwendung eines vorstehend beschriebenen, wenigstens einen Abschnitt eines Verkleidungsbauteils eines Kraftfahrzeugs bildenden, insbesondere in die Unterbodenverkleidung eines Kraftfahrzeugs integrierten, Biegewellenlautsprechers zur Aussendung eines Warngeräusches oder eines Betriebsgeräusches, insbesondere eines Motorgeräusches. Der erfindungsgemäße Biegewellenlautsprecher ist folglich zur Aussendung eines Warngeräusches oder eines Betriebsgeräusches, insbesondere eines Motorgeräusches, ausgebildet.
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Das Betriebsgeräusch kann dabei ein vom Fahrzeug erzeugtes und vom Biegewellenlautsprecher nur gewünschtenfalls verstärktes und nach außen ausgesendetes Geräusch sein, es kann sich jedoch auch um ein künstliches Geräusch handeln, das beispielsweise das übliche Geräusch eines Verbrennungsmotors imitiert.
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Das von dem Biegewellenlautsprecher ausgesandte Geräusch kann, insbesondere bei Elektrofahrzeugen, zur Warnung von Fußgängern dienen, jedoch auch aus Gründen des Sound-Designs eingesetzt werden.
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Es wird ebenfalls Schutz beantragt für ein Kraftfahrzeug mit einem der vorstehend beschriebenen erfindungsgemäßen Biegewellenlautsprecher.
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Schließlich kann vorgesehen sein, dass der Biegewellenlautsprecher wenigstens einen Abschnitt eines Verkleidungsbauteils für einen Innenraum eines Gebäudes bietet.
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Biegewellenlautsprecher, welche wie die erfindungsgemäßen Biegewellenlautsprecher hergestellt sind, können auf einfache Weise auf Grundlage von plattenförmigen Halbzeugen auch als sehr großflächige Bauteile hergestellt werden und bieten sich aufgrund ihrer schallabsorbierender Eigenschaften als Verkleidungsbauteile insbesondere für Besprechungszimmer, Hörsäle, Konferenzräume, Großraumbüros oder Ähnliches an, wo sie als Lautsprecher fungieren und gleichzeitig die Raumakustik verbessern.
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Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung anhand von einigen ausgewählten Ausführungsbeispielen näher erläutert, die in den beiliegenden Figuren illustriert sind. Dabei zeigen:
- 1 eine Querschnittdarstellung von einem Teil eines Biegewellenlautsprechers gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
- 2 eine Querschnittdarstellung von einem Teil eines Biegewellenlautsprechers gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
- 3 eine Querschnittdarstellung von einem Teil eines Biegewellenlautsprechers gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
- 4 eine Draufsicht auf den Biegewellenlautsprecher gemäß 3,
- 5 einen Frequenzgang eines konventionellen Biegewellenlautsprechers mit Papierwabenkern in einem Vergleichsexperiment und
- 6-9 Frequenzgänge von erfindungsgemäßen Biegewellenlautsprechern in dem Vergleichsexperiment.
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1 zeigt einen Teil eines Biegewellenlautsprechers 10 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung in einer Querschnittdarstellung. Dabei ist ein Ausschnitt der Biegewellenmembran 12 und die Anregungsvorrichtung 18 dargestellt.
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Die Biegewellenmembran 12 ist hierbei aus einer Kernschicht 14 und zwei symmetrisch zur Kernschicht 14 angeordneten und diese auf beiden Seiten abdeckenden Schallabsorptionsschichten 16 aufgebaut.
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An einer rückseitigen Oberfläche 12b der Biegewellenmembran 12 ist eine Anregungsvorrichtung 18 in Form eines üblichen elektrodynamischen Treibers (Exciters) befestigt, der elektrische Signale über Zuleitungen 18b erhält und in Schwingungen eines Schwingspule-Permanentmagnet-Systems 18a umsetzt. Alternativ sind auch elektrostatische, magnetostatische oder piezoelektrische Treiber als Anregungsvorrichtungen verwendbar.
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Wenigstens die Schallabsorptionsschicht 16, welche eine vorderseitige Oberfläche 12a der Biegewellenmembran 12 bildet, ist vorliegend ein Abdeckvlies, dessen Porosität etwa 60% beträgt und welches auf die vorderseitige Oberfläche 12a auftreffende Schallenergie weitgehend absorbiert. Die vorderseitige Oberfläche 12a ist dabei diejenige Seite der Biegewellenmembran 12, die zu einem Schallabgabebereich 13 des Biegewellenlautsprechers 10 hin weist, in der Figur also zu dem Bereich rechts von der Biegewellenmembran 12.
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Im vorliegenden Ausführungsbeispiel besteht die Biegewellenmembran 12 aus einem LWRT-Material. Sowohl die Kernschicht 14 als auch die Schallabsorptionsschichten 16 sind hier aus Glasfasern und Polypropylen als thermoplastischem Bindemittel zusammengesetzt.
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Somit ergibt sich eine schallabsorbierende, leichte und steife Biegewellenmembran 12 mit hoher innerer Dämpfung, die auf einfache Weise in verschiedenen, auch dreidimensionalen Formen und auf großen Flächen durch Wärme und Druckbehandlung aus einem plattenförmigen Halbzeug hergestellt werden kann, welches aus aufeinander geschichteten Vliesmatten mit jeweils unterschiedlichen Anteilen von Glas- und Polypropylenfasern besteht.
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2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Biegewellenlautsprechers 110 in einer Ansicht, die derjenigen von 1 entspricht.
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Merkmale des zweiten und dritten Ausführungsbeispiels, die solchen des ersten Ausführungsbeispiels entsprechen, sind jeweils mit Bezugszeichen versehen, die aus den Bezugszeichen der entsprechenden Merkmale des ersten Ausführungsbeispiels durch Addition der Zahl 100 bzw. 200 hervorgehen.
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Das zweite und das dritte Ausführungsbeispiel werden nur insoweit beschrieben, als sie sich vom ersten Ausführungsbeispiel unterscheiden, auf dessen vorstehende Beschreibung ansonsten ausdrücklich verwiesen wird.
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Der in 2 dargestellte Biegewellenlautsprecher 110 unterscheidet sich von dem zuvor beschriebenen Biegewellenlautsprecher 10 im Wesentlichen dadurch, dass die vorderseitige Oberfläche 112a der Biegewellenmembran 1112 durch eine dünne Zusatzschicht 120 gebildet ist, welche direkt auf die vorderseitige Schallabsorptionsschicht 116 aufgebracht ist und diese abdeckt.
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Diese Zusatzschicht kann eine rein dekorative Funktion haben, etwa um die Optik oder Haptik der Biegewellenmembran zu verbessern, sie kann aber auch dazu vorgesehen sein, die Biegewellenmembran 112 vor äußeren Einflüssen zu schützen, etwa vor Schmutz oder Steinschlag, da der Biegewellenlautsprecher einen Abschnitt einer Unterbodenverkleidung eines Kraftfahrzeugs bildet.
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Damit auf die vorderseitige Oberfläche 112a der Biegewellenmembran 112 auftreffender Schall in der Schallabsorptionsschicht 116 absorbiert werden kann, ist die Zusatzschicht weitgehend schalldurchlässig ausgebildet, also akustisch inaktiv.
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Abschließend wird unter Bezugnahme auf die 3 bis 9 ein Vergleichsexperiment beschrieben, in welchem Frequenzgänge von einigen erfindungsgemäßen Biegewellenlautsprechern aufgezeichnet und mit einer entsprechenden Messung an einem konventionellen Biegewellenlautsprecher verglichen wurden.
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Es wird darauf hingewiesen, dass es sich hierbei um eine Voruntersuchung an einfachen, plattenförmigen, nicht akustisch optimierten LWRT-Platten als Biegewellenmembranen handelt, die lediglich die grundsätzliche Eignung dieses schallabsorbierenden Materials zur Herstellung von Biegewellenlautsprechern demonstrieren soll.
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Es wurden vier erfindungsgemäße Biegewellenlautsprecher (im Folgenden kurz als Muster-Paneele bezeichnet) unter identischen Bedingungen vermessen, wobei die Biegewellenmembran in allen vier Fällen aus einem LWRT-Material mit der Markenbezeichnung Seeberlite hergestellt ist.
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Eine Querschnittdarstellung eines Teils eines solchen Muster-Paneels 210, also eines erfindungsgemäßen Biegewellenlautsprechers 210 gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel ist in 3 dargestellt. Es wird darauf hingewiesen, dass die Darstellung insbesondere hinsichtlich der einzelnen Schichtdicken nicht maßstabsgetreu ist.
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Wie 3 zeigt, handelt es sich hierbei um ein Sandwich-Material einer Gesamtdicke b von etwa 8 bis 9 mm mit einer etwa 4 mm dicken Kernschicht 214 und zwei die Kernschicht beidseitig abdeckenden, jeweils etwa 1-1,5 mm dicken Schallabsorptionsschichten 216. Die Schallabsorptionsschichten 216 sind jeweils von einer akustisch inaktiven (schalldurchlässigen) Zusatzschicht 220 als Schutz gegen äußere Einflüsse abgedeckt, wobei an der vorderseitigen Oberfläche 212a der Biegewellenmembran 212 noch ein ebenfalls akustisch inaktives Polyester-Dekorvlies 224 vorgesehen ist. Hier bilden also die Schichten 220 und 224 zusammen eine weitgehend schalldurchlässige und mit der Schallabsorptionsschicht 216 in Kontakt stehende Zusatzschicht im Sinne der Ansprüche.
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Die Kernschicht
214 und die Schallabsorptionsschichten
216 sind jeweils aus Glas- und Polypropylenfasern hergestellt, die Zusatzschichten
220 aus Polypropylenfasern und Polyethylenterephthalatfasern. Einige Kenngrößen der einzelnen Schichten sind in der folgenden Tabelle angegeben.
| | Massenanteil GF-Fasern | Massenanteil PP-Fasern | Massenanteil PET-Fasern | Flächengewicht |
| Kernschicht 214 | ca. 40% | ca. 60% | 0 | ca. 500g/m2 |
| Schallabsorptionsschicht 216 | ca. 25% | ca. 75% | 0 | ca. 450g/m2 |
| Zusatzschicht 220 | 0 | ca. 50% | 50% | ca. 30g/m2 |
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Bei der Herstellung der Biegewellenmembran werden unter Einwirkung von Druck und Wärme die Polypropylenfasern in der Kernschicht 214 und den Schallabsorptionsschichten 216 wenigstens teilweise aufgeschmolzen und verbinden die Glasfasern in der gewünschten Form netzartig miteinander.
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In der fertigen Biegewellenmembran 212 beträgt die Porosität der Schallabsorptionsschichten etwa 60%, die Porosität der Kernschicht beträgt etwa 90%.
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Die Geometrie aller im Vergleichsexperiment vermessenen Muster-Paneele 210 ist in 3 illustriert, welche in einer vereinfachten schematischen Darstellung eine Draufsicht auf den Biegewellenlautsprecher 210 zeigt.
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Die Biegewellenmembran 212 liegt hier in Form einer rechteckigen Platte im Din-A2-Format vor, auf deren rückseitiger Oberfläche 212b zwei elektrodynamische Treiber 218 mit doppelseitigem Klebeband aufgeklebt sind. Im einzelnen handelt es sich um einen Treiber 218g (Harman FPM 37 c 4482 MB 200100275) und einen Treiber 218k (Harman FMP 49133 50003/01 4161131).
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Die Magnetsysteme der Treiber 218 sind nicht mit einer Brücke fixiert, sondern ihr Gewicht dient als seismische Masse, so dass die Krafteinkopplung der Spule dadurch auf der Trägheits-Gegenkraft des Magnetsystems beruht, was aber beim normalen Betrieb einer üblichen Anordnung entspricht.
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Die in der Figur angegebenen Abstände der Treiber von der Längskante 2121 bzw. Querkante 212q der Biegewellenmembran 212 betragen d1 = 17,24 cm, d2 = 24,55 cm, d3 = 16,97cm und d4= 24,36 cm.
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Zwei Bohrlöcher 222 sind im Abstand von jeweils d0 = 6cm zur Längskante 2121 und zur Querkante 212q der Biegewellenmembran 212 angebracht.
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Die Messungen des Vergleichsexperiments wurden in einem Audiolabor-Raum durchgeführt, der eine über die Frequenzen weitgehend konstante Nachhallzeit von 0,4 Sekunden besitzt und dementsprechend akustisch gut bedämpft ist.
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Die Muster-Paneele 210 wurden etwas außerhalb der Raummitte frei schwingend durch an den zwei Bohrlöchern 22 fixierte Fäden aufgehängt.
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Der Frequenzgang, also der Schallpegel P in Dezibel als Funktion der Schwingungsfrequenz f in Herz wurde für alle vier Musterpaneele unter identischen Bedingungen (etwa Mikrofon-Anordnung und Verstärkereinstellungen) ermittelt, indem nur der Erstimpuls der Impulsantwort ausgewertet und Reflexionen weitgehend abgeschnitten wurden. Der Raumboden wurde hierzu in Messumgebung zusätzlich mit Absorberplatten ausgelegt, um frühe Reflexionen zu vermeiden.
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Die auf diese Weise an den vorstehend beschriebenen und in den 3 und 4 dargestellten vier Muster-Paneelen 210 aufgezeichneten Frequenzgänge sind in den 6 bis 9 dargestellt.
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Zum Vergleich wurde ein aus dem Stand der Technik bekannter Biegewellenlautsprecher (im Folgenden kurz als Vergleichs-Paneel bezeichnet) mit einem Papierwabenkern und aufgeklebten Glasfaserfolien als Deckschichten in gleicher Größe, mit identischer Treiberkonfiguration (vgl. 4) und unter im Wesentlichen gleichen Bedingungen (Mikrofon-Positionierung und Verstärkereinstellungen) vermessen wie die vier Muster-Paneele 210, so dass die Frequenzgangpegel und damit der Wirkungsgrad der Paneele verglichen werden kann.
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Im Unterschied zu diesen wurde die Biegewellenmembran des Vergleichspaneels allerdings zur Dämpfung von Reflexionen im Randbereich mit Schaumstoff in einem Rahmen fixiert, der dann frei schwingend aufgehängt wurde. Weiterhin wurde beim Vergleichspaneel das Magnetsystem vermittels einer Brücke am Rahmen befestigt.
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Der an dem Vergleichs-Paneel aufgezeichnete Frequenzgang ist in 5 dargestellt.
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Der Übertragungsbereich eines Biegewellenlautsprechers hängt von der Größe der Membran ab und liegt bei dem vorliegenden Din-A2-Format für das Vergleichs-Paneel gemäß 5 bei ca. 100 Hz bis 15000 Hz.
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Wie die 6 bis 9 zeigen, beginnt der Übertragungsbereich der erfindungsgemäßen Muster-Paneele 210 ab ca. 150 Hz bzw. 200 Hz, da ab dieser Frequenz die Modendichte zu höheren Frequenzen deutlich zunimmt.
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Tendenziell liegt bei den vier Muster-Paneelen 210 die untere Grenzfrequenz (200 Hz) also etwas höher als bei dem Vergleichs-Paneel gemäß 5 (150 Hz). Im Frequenzbereich von 200 Hz bis 1000 Hz verhalten sich alle vier Muster-Paneele 210 sehr ähnlich und weisen wie das Vergleichs-Paneel gemäß 5 etwas über 1000 Hz eine Pegelreduktion von ca. 5 dB auf. Die höchste Wiedergabefrequenz reicht bis knapp 16 kHz, wobei der Hochtonbereich der vier Muster-Paneele 210 etwas variiert.
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Die vier Frequenzgänge der 6 bis 9 sind bis etwa 6 kHz vergleichbar und besitzen die größten Variationen im Hochtonbereich, welche möglicherweise auf Materialinhomogenitäten zurückzuführen sind. Vermutlich aufgrund des höheren Gewichts der Muster-Paneele 210 ist der Gesamtpegel relativ zum konventionellen Vergleichs-Paneel in 5 um etwa 10 dB abgesenkt.
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Insgesamt zeigen die in den 5 bis 9 dargestellten Ergebnisse des vorstehend beschriebenen Vergleichsexperiments, dass sich ein schallabsorbierendes, poröses und eine hohe innere Dämpfung aufweisendes LWRT-Material als Biegewellenmembran eines Biegewellenlautsprechers eignet, was insbesondere die Herstellung von Verkleidungsbauteilen für Kraftfahrzeuge oder für den Innenraum-Bereich ermöglicht, die gleichzeitig als Lautsprecher und zur Verbesserung der Raumakustik dienen können.
