DE102012018765B3

DE102012018765B3 - Verfahren zur Versteifung der Membran eines Schallwandlers

Info

Publication number: DE102012018765B3
Application number: DE102012018765.3A
Authority: DE
Inventors: Patentinhaber gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2012-09-24
Filing date: 2012-09-24
Publication date: 2014-02-20
Anticipated expiration: 2032-09-25
Also published as: WO2014044251A2; EP2959696A2; EP2959696B1; WO2014044251A3

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Versteifung der Membran eines Schallwandlers, welches eine Versteifung der Membran eines Schallwandlers auch nachträglich ermöglicht, sodass dieses Verfahren auch als Nachbehandlung zur Verbesserung des Frequenzbereichs bestehender Lautsprecher angewandt werden kann. Erreicht wird dies durch das Aufbringen eines Versteifungsgeflechtes auf die Vorder- und/oder Rückseite der Membran eines Schallwandlers, die nachfolgende Beschichtung der Membran mit aufgebrachtem Versteifungsgeflecht mit zumindest zwei Kunstharzen, wobei in einer ersten Stufe eine Polyesterharzschicht aufgetragen und ausgehärtet wird, die dann in der zweiten Stufe mit einem Epoxidharz überzogen und verbunden wird sowie dem abschließenden Aufbringen einer Acrylbeschichtung auf der vorder- und/oder Rückseite der Membran.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Versteifung der Membran eines Schallwandlers sowie eine Membran eines Schallwandlers.
Übliche Schallwandler, wie sie in Lautsprecherboxen eingesetzt sind, werden auch als elektrodynamische Lautsprecher bezeichnet. Der hierbei übliche Aufbau des elektrodynamischen Lautsprechers bzw. Schallwandlers umfaßt ein magnetisches Gleichfeld aufbauenden Permanentmagneten oder Elektromagneten, in dem sich eine stromdurchflossene Schwingspule befindet. Diese Schwingspule befindet sich auf einem Schwingspulenträger der die Bewegungen der Schwingspule auf die Membran des Schallwandlers überträgt, wodurch die Membran in Schwingung versetzt wird.
Die Materialanforderungen an eine ideale Membran für einen Schallwandler sind vielfältig, da eine ideale Membran zur Verwirklichung eines hohen Wirkungsgrades leicht aber dennoch möglichst starr sein müsste, um gleichzeitig einen linearen Frequenzgang zu ermöglichen.
Zur Vermeidung stehender Wellen, also Resonanzen, wäre ein unendlich steifes Membranmaterial erforderlich, da dieses die Bewegungen der Schwingspule direkt vom Zentrum zum Membranrand übertragen könnte, da sich die Membran perfekt gleichförmig bewegt unabhängig von der zu übertragenden Frequenz. In der Praxis ist allerdings bislang ein solcher Werkstoff nicht vorhanden, weshalb mit zunehmender Frequenz der Schall mehr Wellenzüge von der Anregungsstelle bis zum Rand der Membran benötigt. Es kommt hierbei zu den unerwünschten stehenden Wellen oder Resonanzen, die sich von der Anregungsstelle zum Rand aber auch am Membranumfang und beliebig diagonal über die Membran hin erstrecken. Die unerwünschten Resonanzspitzen treten daher weitgehend ungleichmäßig auf.
Gegen diese unerwünschten stehenden Wellen werden im Stand der Technik zwei verschiedene Lösungen verfolgt.
Die Tendenz geht hierbei zur Stabilisierung der Membranen, also der Anstrebung möglichst steifer Membranwerkstoffe. Es gibt hierfür verschiedene Ansätze. Beispielsweise wird zunehmend mit metallischen Membranen, vorzugsweise Aluminiummembranen gearbeitet, wobei sich Aluminium als Membranmaterial im Mitteltonbereich bis hin zum Hochtonbereich ideal verhält. Oberhalb dieser Frequenzen treten allerdings weiterhin Resonanzen auf, die in herkömmlicherweise mittels Frequenzweichen ausgeblendet werden müssen. Die Frequenzweiche blendet hierbei die problematischen Frequenzbereiche dieser Lautsprecher aus.
Der andere Lösungsansatz liegt in einer Bedämpfung der Membran mit einer zähelastischen Beschichtung, wobei hier problematisch ist, dass diese Bedämpfung im Stand der Technik nicht linear ist und daher ebenfalls deutliche klangliche Auswirkungen aufweist.
Aufgrund der vorliegenden beschriebenen Probleme bei der Verwendung steifer metallischer Membranen ist der Ansatz der vorliegenden Erfindung eine Weiterentwicklung der Beschichtung von Membranen, um hierdurch deren Steifigkeit deutlich zu verbessern. Ausgangspunkt hierfür ist hier im Grunde der klassische Papierkonus im Schallwandler, der leicht verformbar ist, wodurch die auf die Membran einwirkenden Zug- und Druckkräfte bei dynamischen Schallwandlern zu Pegelverlusten führen. Das erfindungsgemäße Verfahren ist prinzipiell aber auch auf Membranen aus anderen Materialien anwendbar.
Es ist hierbei problematisch, dass es zu Signalverfälschungen und frequenzabhängig zu Resonanzen kommt, die durch Partialschwingungen der Membran verursacht sind. Diese Signalverfälschungen, die auch als Phasenfehler bezeichnet werden, führen dann zum angesprochenen Pegelverlust und klanglichen Defekten.
Es ist im Stand der Technik hinlänglich bekannt, diverse Materialkompositionen zur Herstellung von Membran zu verwenden, die hier gegensteuern sollen. So sind die Materialien Papier, Aluminium, Titan, Keramik, Kevlar oder auch Carbon bekannt, die in diversen Sandwich-Konstruktionen Anwendung finden, wobei sich hier wieder Nachteile dadurch einstellen, dass auch bei diesen Hartmembranen stark ausgeprägte Resonanzen im hörbaren Bereich erzeugt werden, die dann wiederum elektronisch herausgefiltert werden müssen.
Ziel der vorliegenden Erfindung ist es daher, durch ein neuartiges Verfahren zur Versteifung der Membranen hier eine höhere Pegelfestigkeit zu erreichen. Hierbei sollen in mehreren Stufen versteifende Beschichtungen auf den Membrankonus aufgebracht werden.
Der Stand der Technik kennt, wie bereits ausgeführt seit langem Materialkombinationen zur Herstellung von Lautsprechermembranen, so ist bereits aus der Schrift AT 225768 B bekannt, ein deformierbares Textilgewebe mit Versteifungsmitteln zu imprägnieren, in eine gewünschte Form zu pressen und abschließend mit einem aushärtenden Lack zu bedecken.
Auch aus der DE 965 995 B sind Membrane bekannt, die auf einem Fasergerüst basieren, in welches Hohlkörper eingebracht werden, wobei auch hier eine abschließende Lackschicht vorgesehen ist, wobei in den Lack auch noch Festkörper eingebettet werden können. Das derart hergestellte Verbundmaterial kann dann zur Formgebung für Membrane verwendet werden.
Die DE 2851745 C2 offenbart Membrane, die aus einer Metallfolienbasis bestehen, die mit einer Kunststoffschicht überzogen ist, wobei hier die Metallfolie zwischen zwei Kunststofffolien eingeschlossen ist.
Die DE 7102857 U wiederum sieht eine Versteifung insbesondere im Bereich des Sickenrandes vor, der einseitig mit einem Kunstfaservliesstoff beschichtet ist. Dieser kann dann zusätzlich durch eine Kunststofffolie kaschiert sein.
Aus der DE 20 2010 013 175 U1 ist ein Verbundwerkstoff für Membrane offenbart, der zwischen einer inneren und einer äußeren Decksicht einen selbsttätig aushärtenden Schaum vorsieht.
Die DE 2444718 C3 zeigt Lautsprechermembrane die im Wesentlichen aus Kohlenstoff und Harz gebildet sind. Hierbei wird eine aus Kohlenstofffasern bestehende Bahn mit Harz getränkt und dann auf bekannte Weise geformt, um als Lautsprechermembran benutzbar zu sein.
Schließlich ist aus der EP 1 429 582 A2 eine Lautsprechermembran bekannt, die bei geringem Gewicht und einer guten Balance zwischen Festigkeit und internen Verlusten in einem einfachen und kostengünstigen Verfahren gefertigt werden soll. Hierfür weist die Lautsprechermembran eine Basisschicht mit einem Gewebe aus einer Polyethylennaphthalat-Faser auf, die mit einem wärmehärtbaren Harz und gegebenenfalls einer thermoplastischen Harzschicht und/oder einem thermoplastischen Elastomer imprägniert wird. Auf dieser Basismembran kann optional als zweite Schicht eine wärmehärtendes geschäumtes Harz angeordnet sein sowie als optionale dritte Lage ein thermoplastisches Elastomer beispielsweise als Film oder Gewebe.
Den im Stand der Technik genannten Lösungen ist gemein, dass diese keine Membran beschreiben, die die angestrebten idealen klanglichen Eigenschaften in sich vereinen kann. Auch diese Verbundmaterialien weisen Defizite und Pegelverluste auf, die vom erfindungsgemäßen Verfahren und den derart hergestellten Membranen vermieden werden sollen. Zudem handelt es sich in der Regel um Gestaltungen von Grundwerkstoffen, aus denen dann Membranen geformt werden können, wobei eine Nachbearbeitung bestehender geformter Membranwerkstoffe nicht möglich ist.
Insbesondere ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Versteifung der Membran eines Schallwandlers bereit zu stellen, welches eine Versteifung der Membran eines Schallwandlers auch nachträglich ermöglicht, sodass dieses Verfahren auch als Nachbehandlung zur Verbesserung des Frequenzbereichs bestehender Lautsprecher angewandt werden kann.
Das erfindungsgemäße Verfahren sieht hierfür eine mehrstufige aufeinanderfolgende Behandlung einer herkömmlichen Schallwandlermembran vor, um durch unterschiedliche Materialien und deren Kombination die Resonanzen der Membran bzw. des Schallwandlers in einem weit höheren Bereich zu verschieben und dort zusätzlich zu bedämpfen, wodurch aufwendige Filterungen, wie sie bei herkömmlichen Schallwandlern erforderlich sind, entfallen. Die so erreichbare verbesserte mechanische Festigkeit bewirkt, dass das in einem Bewegungsimpuls umgesetzte elektrische Signal deutlich effektiver in Schall umgewandelt werden kann. Auf diese Weise kann bei einer geringeren Zufuhr an elektrischer Leistung eine höhere unverzerrte Schallwandlung erreicht werden.
Neben diesen klanglichen Effekten bewirkt die erfindungsgemäße Behandlung der Membrane zudem einen Schutz der Membranen gegen Temperatur und Feuchtigkeitseinwirkung, was insbesondere beim Einsatz im Außenbereich oder auch im Auto-HiFi-Bereich erforderlich ist. Die Membran wird insgesamt mechanisch belastbarer bei gleichzeitigem Schutz gegen Witterungseinwirkungen.
Das erfindungsgemäße Verfahren erreicht den Effekt, durch eine mehrphasige Behandlung des Membrankonus, der im Standardfall aus einem Papiermaterial gefertigt ist aber auch aus anderem Material bestehen kann.
Phase 1 sieht hierbei vor, ein mechanisch stabilisierendes Geflecht auf die Vorder- und oder Rückseite der Membran aufzubringen. Dieses Geflecht kann hierbei aus verschiedenen mechanisch stark belastbaren Materialien gefertigt sein. Die Materialien Glasfaser, Kevlar oder Carbon stellen hierbei nur Beispiele möglicher verwendbarer Materialien dar, die die Mechanik der Membran positiv beeinflussen sollen.
Durch die Verbindung des Membrankonus mit diesen Versteifungsmaterialien ist die Membran in der Lage, die durch den elektrischen Impuls eingeleiteten Zug- und Druckkräfte aufzunehmen. Die Frage, ob hier die entsprechenden Versteifungsmaterialien in Form eines Geflechts vorder- und/oder rückseitig aufgetragen werden, erfolgt in Abhängigkeit von den Materialeigenschaften der Membran sowie deren Größe und deren Einbau in den Schallwandler.
In Phase 2 wird nun die derart vorbehandelte Membran vollflächig mit Harz beschichtet. Diese Phase ist in einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung zweigeteilt, da eine Kombination von Harzen unterschiedlicher Viskosität hier zusätzliche Verbesserungen bewirkt.
Nach Aushärten einer ersten Beschichtung aus Polyesterharz entsteht eine Verbindung des Materials der Membran, beispielsweise dem Papier, mit dem Versteifungsgeflecht bzw. den Versteifungsfasern und dieser Polyesterharzbeschichtung. So wird eine erste Zwischenstufe erreicht, bei der die Membran bereits deutlich versteift ist, aber immer noch Resonanzen vorhanden sind. Entsprechende Messungen haben hierbei ergeben, dass insbesondere im Bereich zwischen 2 und 4 Kilohertz die Resonanzen in dieser Phase der Behandlung mit einem ersten Harz höherer Viskosität noch zu stark ausgeprägt sind und insofern einer weiteren Filterung und Bedämpfung bedürfen. Daher ist eine weitere Behandlung der Membran zur Verbesserung erforderlich.
Phase 2 sieht daher vor, eine weitere Harz-Beschichtung der mit Polyesterharz beschichteten Membran vorzunehmen. Hierfür ist ein Epoxidharz vorgesehen, welches in seinen stofflichen Eigenschaften eine deutlich niedrigere Viskosität als Polyesterharz aufweist. Diese zweite Schicht geht hierbei eine durchdringende Verbindung mit der zuerst aufgetragenen Polyesterharzschicht ein und verändert somit die Oberflächenstruktur der Membran.
Die auf diese Weise erreichbare klangliche Verbesserung bewirkt, dass die zuvor im Bereich zwischen 2 und 4 Kilohertz vorhandenen Resonanzen nun in einem Bereich von etwa 5 Kilohertz auftreten mit einem etwa 50 prozentigem Pegelanteil. Es ist daher noch eine weitere Behandlung der nun derart vorbehandelten Membranen sinnvoll, weshalb in dieser Ausführung eine vierte Beschichtung erfolgt.
In Phase 3 wird vorder- und/oder rückseitig eine Acryllackbeschichtung vorgenommen, wodurch nochmals die nach Phase 3 vorhandenen Resonanzspitzen gedämpft werden können. Diese letzte Phase bewirkt zudem, dass die Schalldurchlässigkeit der derart behandelten Membranen zusätzlich bedämpft ist und somit die Übertragung des Schalls weiter verbessert wird.
Neben der durch dieses Verfahren möglichen Nachbehandlung bereits bestehender Membranen besteht auch die Option, das Verfahren zur Herstellung von Membranen im Allgemeinen zu verwenden, um so ausgehend von einem einfachen Trägermaterial wie Papier zu einer deutlich verbesserten Membran zu gelangen.
Der große Anwendungsnutzen des Verfahrens liegt allerdings darin, ohne größere bauliche Veränderungen, beispielsweise im Bereich der in KFZ verbauten Schallwandler, diese serienmäßig im Fahrzeug verbauten Lautsprecher nachzubehandeln und so signifikant zu verbessern. Es ist so nicht erforderlich, aufwendige und kostenintensive Nachrüstungen in den Fahrzeugen vorzunehmen, da die Verkabelungen belassen werden können und auch keine neuen Schallwandler oder zusätzlichen elektronischen Komponenten erforderlich sind.
Insbesondere im Bereich von Fahrzeugen, die beispielsweise aus rechtlichen Gründen unter anderem im Bereich der Beschallung nicht modifiziert werden dürfen, beispielsweise Leasingfahrzeuge, ergibt sich so der Vorteil, dass ohne bauliche Veränderungen die vorhandenen Schallwandler deutlich verbessert werden können. Dies betrifft auch andere Beschallungsanlagen im privaten und gewerblichen Bereich sowie der Unterhaltungselektronik.

Claims

Verfahren zur Versteifung der Membran eines Schallwandlers umfassend die aufeinanderfolgenden Verfahrensschritte: (1) Aufbringen eines Versteifungsgeflechtes auf die Vorder- und/oder Rückseite der Membran eines Schallwandlers, (2) Beschichtung der Membran mit aufgebrachtem Versteifungsgeflecht mit zumindest zwei Kunstharzen, wobei in einer ersten Stufe eine Polyesterharzschicht aufgetragen und ausgehärtet wird, (3) die dann in der zweiten Stufe mit einem Epoxidharz überzogen und verbunden wird, (4) Aufbringen einer Acrylbeschichtung auf der vorder- und/oder Rückseite der Membran.
Verfahren zur Versteifung der Membran eines Schallwandlers nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das in Verfahrensschritt 1 aufgebrachte Versteifungsgeflecht aus Glasfaser, Kevlar oder Carbon oder einer Mischung dieser Materialien bestehen.
Verfahren zur Versteifung der Membran eines Schallwandlers nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Epoxidharz eine durchdringende Verbindung mit der zuvor aufgebrachten Polyesterharzschicht eingeht.
Verfahren zur Versteifung der Membran eines Schallwandlers nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Versteifungsgeflecht vollflächig oder auch nur partiell auf der Membran aufgebracht sind.