DE102013010654A1

DE102013010654A1 - Bending wave loudspeaker

Info

Publication number: DE102013010654A1
Application number: DE201310010654
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2013-06-26
Filing date: 2013-06-26
Publication date: 2014-12-31

Abstract

Bei einem elektroakustischen Wandler, insbesondere einem Biegewellenlautsprecher hoher Schwingungsweite, mit zumindest einer Schallmembran und wenigstens einem ebene Transversalwellen in der Schallmembran erzeugenden linearen Schwingerreger, ist die Schallmembran ein leichter und biegesteifer, etwa rechteckiger Plattenkörper, welcher im Bereich einer Randkante ortsfest gelagert ist, wobei der Schwingerreger näher dem Festlager zugeordnet ist, und die Schallmembran als ebener Wellenleiter dämpfende Eigenschaften besitzt.In an electroacoustic transducer, in particular a flexural wave loudspeaker with a high oscillation range, with at least one sound diaphragm and at least one linear vibration exciter generating flat transverse waves in the sound diaphragm, the sound diaphragm is a light and rigid, approximately rectangular plate body which is mounted in a stationary manner in the area of an edge, the Shaker is assigned closer to the fixed bearing, and the sound membrane has damping properties as a flat waveguide.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen elektroakustischen Wandler, insbesondere einen Biegewellenlautsprecher hoher Schwingungsweite, mit zumindest einer Schallmembran als Wellenleiter ausgebildet und wenigstens einem ebene Transversalwellen (Biegewellen) in der Schallmembran erzeugenden linearen Schwingerreger.The invention relates to an electroacoustic transducer, in particular a bending wave loudspeaker of high oscillation, with at least one sound membrane formed as a waveguide and at least one transverse transverse waves (bending waves) in the sound membrane generating linear oscillator.

Bekannte elektroakustische Wandler, wie zum Beispiel Biegewellenlautsprecher, werden insbesondere in Form von Flachlautsprechern für eine Sprach- und Musikwiedergabe eingesetzt. Ein solcher Biegewellenlautsprecher ist aus der DE 100 00 048 A1 oder DE 699 15 083 T2 bekannt und weist üblicherweise eine biegeweiche oder biegesteife Schallmembran auf, mittels der eine von einem mit der Schallmembran gekoppelten Schwingerreger erzeugte Schwingung in ein hörbares Akustiksignal transformiert wird. Der Schwingerreger kann dazu eine mit der Membran verbundene konzentrische Schwingspule aufweisen, welche zumindest einem Permanentmagneten zugeordnet ist, und damit ebenfalls Bestandteil des Schwingerregers ist. Die auf der Schallmembran erzeugten, sich bisher in der Regel konzentrisch vom Schwingerreger ausbreitenden Schwingungen werden an den Randkanten einer mehr oder weniger fest eingespannten Schallmembran reflektiert, was bei Überlagerung Resonanzen in Form von stehenden Wellen hervorruft. Derartige, auf der Membran mitunter entstehende Resonanzfelder (Moden) wirken sich nachteilig auf die Qualität der durch den Lautsprecher wiederzugebenden Signale aus. Die Wiedergabe ist verzerrt und mit im Original nicht vorhandenen Hall vermischt. Weiterhin lassen sich biegesteife Membranen schlecht zu konzentrischen Biegewellen anregen.Known electroacoustic transducers, such as flexural wave loudspeakers, are used in particular in the form of flat speakers for voice and music reproduction. Such a bending wave loudspeaker is from the DE 100 00 048 A1 or DE 699 15 083 T2 is known and usually has a flexurally soft or rigid sound membrane, by means of which a vibration generated by an oscillator coupled to the sound membrane is transformed into an audible acoustic signal. The oscillator can for this purpose have a diaphragm connected to the concentric voice coil, which is associated with at least one permanent magnet, and thus also part of the vibration exciter. The generated on the sound membrane, so far usually concentric propagating from the vibrator vibrations are reflected at the edges of a more or less firmly clamped sound membrane, causing resonances in the form of standing waves when superimposed. Such resonance fields (modes) which sometimes arise on the membrane have a disadvantageous effect on the quality of the signals to be reproduced by the loudspeaker. The playback is distorted and mixed with non-original reverb. Furthermore, flexural membranes can be difficult to stimulate concentric bending waves.

Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung ist es, einen elektroakustischen Wandler der vorbezeichneten Gattung dahingehend zu verbessern, dass Resonanzen auf der Schallmembran vermieden sind und die Schallmembran zu weit größeren Amplituden angeregt werden kann als dies mit bekannten Konstruktionen möglich ist. Es wird eine verbesserte Wiedergabequalität der durch den Lautsprecher erzeugten akustischen Signale erreicht, bei gestiegen Wirkungsgrad und höherer Empfindlichkeit (SPL).The object of the present invention is to improve an electroacoustic transducer of the type described above in that resonances on the sound membrane are avoided and the sound membrane can be excited to far greater amplitudes than is possible with known constructions. Improved playback quality of the acoustic signals generated by the loudspeaker is achieved with increased efficiency and higher sensitivity (SPL).

Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch einen elektroakustischen Wandler mit den Merkmalen des Patentanspruches 1. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Patentansprüchen 2 bis 9 angegeben. Bei einem elektroakustischen Wandler, insbesondere einem Biegewellenlautsprecher, mit zumindest einer Schallmembran und mindestens einem, Biegewellen in der Schallmembran erzeugenden Schwingerreger, ist nach der Erfindung vorgesehen, dass die Schallmembran ein biegesteifer etwa rechteckiger Plattenkörper ist, welcher im Bereich einer Randkante ortsfest gelagert ist. Die Biegewellen werden durch den in der Nähe des Festlagers wirkenden Schwingerreger im einseitigen Hebel der Membran verstärkt. Somit lassen sich hohe Amplituden der Biegewellen erreichen, was die Tieftonwiedergabe deutlich verbessert. Dabei muss der Kraftangriff des Schwingerregers auf der Schallmembran geradlinig verlaufen, damit die Schallmembran leicht die Transversalschwingungen aufnimmt. So ist es möglich das dieser Lautsprecher den gesamten menschlichen Hörbereich abbildet (40 Hz–20 kHz). Mit Hilfe eines derartig erfindungsgemäß ausgebildeten Biegewellenlautsprechers, dessen durch einen Schwingerreger bewegte Schallmembran nur im Bereich einer Randkante ortsfest gelagert ist, lassen sich auf vorteilhafte Weise Reflexionen und damit verbundene Resonanzen durch sich einander überlagernde Biegewellen vermeiden, der Verlauf der ebenen Transversalschwingung folgt zeitlich genau dem Tonsignal und hat kaum vagabundierenden Anteile. Vorzugsweise ist nur eine der Randkantenbereiche des Plattenkörpers ortsfest aufgenommen, so dass alle restlichen Randkantenbereiche keine Verbindung mit beispielsweise einem den Biegewellenlautsprecher auf seiner Rückseite einfassenden Gehäuse aufweisen und so völlig frei schwingen können. Die Schallmembran weist eine Höhe auf, die sich nach der zu erzielenden maximalen Leistung richtet. Die Breite wird durch die Materialeigenschaften der Schallmembran bestimmt, sowie der tiefsten noch zu übertragenen Grenzfrequenz. Der Schwingerreger kann mit einem rückseitig vorstehenden, nahe dem Festlager ausgebildeten Trägerteil an die Schallmembran gekoppelt sein, wodurch ein gerichtete Ausbreitung der Biegewellen vom Festlager zum Loslager gegeben ist. Man kann damit die Schallmembran als einen bedämpften akustischen Wellenleiter beschreiben. Diese Dämpfung wird zum einen durch die Rückwirkung des elektrodynamischen Antriebs auf den Verstärker und zum anderen durch die Materialeigenschaften der Schallmembran realisiert. Der zur Schallmembran ausgebildete Plattenkörper kann mit einem Dämpfungsbelag versehen sein, wodurch die sich vom Schwingerreger ausbreitenden ebenen Biegewellen mit zunehmender Entfernung abgebaut werden. Durch diese Dissipation wird einer Aufspeicherung von hoch und mittelfrequenter Schwingungsenergie im Lautsprecher entgegengewirkt. Bedeutend ist aber auch die Dämpfung durch die umgebende Luft, in Form von abgegebenen Schall (Strahlungswiderstand). Das ist dann der eigentlich gewünschte Effekt, was den höheren Wirkungsgrad erst ermöglicht. Dazu ist der Einsatz besonders leichter und steifer Materialien notwendig, insbesondere Carbon, Graphen, Buckypaper und Leichtmetalle oder deren Kombinationen werden mit Vorteil eingesetzt.The object is achieved by an electro-acoustic transducer with the features of claim 1. Advantageous developments and refinements of the invention are set forth in the claims 2 to 9. In an electroacoustic transducer, in particular a bending wave loudspeaker, with at least one sound membrane and at least one, bending waves in the sound membrane generating oscillator, is provided according to the invention that the sound membrane is a rigid approximately rectangular plate body, which is mounted stationary in the region of a peripheral edge. The bending waves are amplified by acting in the vicinity of the fixed bearing oscillator in the one-sided lever of the membrane. Thus, high amplitudes of the bending waves can be achieved, which significantly improves the low-frequency reproduction. In this case, the force application of the vibration exciter on the sound membrane must be rectilinear, so that the sound membrane easily absorbs the transversal vibrations. So it is possible that this speaker images the entire human hearing range (40 Hz-20 kHz). With the aid of a bending wave loudspeaker designed in accordance with the invention, the sound membrane moved by a vibration exciter is fixedly mounted only in the region of a peripheral edge, reflections and associated resonances can be avoided in an advantageous manner by bending waves overlapping one another, the course of the plane transverse oscillation follows the sound signal in time and has hardly any vagabond parts. Preferably, only one of the marginal edge regions of the plate body is received in a stationary manner, so that all remaining marginal edge regions have no connection with, for example, a casing enclosing the bending wave loudspeaker on its rear side and can thus vibrate completely freely. The sound membrane has a height that depends on the maximum power to be achieved. The width is determined by the material properties of the sound membrane, as well as the lowest yet to be transmitted cutoff frequency. The oscillator may be coupled to a rear side projecting, formed near the fixed bearing carrier part to the sound membrane, whereby a directed propagation of the bending waves from the fixed bearing is given to the floating bearing. One can thus describe the sound membrane as a damped acoustic waveguide. This damping is realized on the one hand by the retroactive effect of the electrodynamic drive on the amplifier and on the other hand by the material properties of the sound membrane. The plate body formed to the sound membrane may be provided with a damping lining, whereby the propagating from the vibrator planar bending waves are degraded with increasing distance. This dissipation prevents accumulation of high and medium frequency vibration energy in the loudspeaker. Significant is also the attenuation by the surrounding air, in the form of emitted sound (radiation resistance). That is the desired effect, which makes the higher efficiency possible. For this purpose, the use of particularly lightweight and rigid materials is necessary, in particular carbon, graphene, Buckypaper and light metals or combinations thereof are used with advantage.

Als Schwingerreger kann ein modifizierter, häufig bei Lautsprechern zum Einsatz kommender elektrodynamischer Antrieb benutzt werden. Statt einer konzentrischen Schwingspule wird ein lineares Design angewendet. Dessen Wirkungslinie liegt nahe dem Festlager der Schallmembran und ist dabei gleichzeitig senkrecht zu der durch die Schallmembran aufgespannten Ebene ausgerichtet. Von besonderer Bedeutung ist dabei die geringe Masse aller bewegten Teile, wie Schallmembran, Trägerteil und Leiterbahnen. Mit Vorteil werden Materialien wie Aluminium (ECCA) und Kohlenstoff Nanotubes (SCNT) eingesetzt. Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Schwingerreger sich etwa über die Höhe der Schallmembran erstreckt, der mit einem Permanentmagneten ausgerüstet ist, in dessen Magnetspalt mindestens eine Leiterbahn liegt, welche über ein hervorstehendes Trägerteil wiederum rückseitig mit der Schallmembran verbunden ist. Statt eines Permanentmagneten kann auch ein Elektromagnet verwendet werden. Abhängig vom verwendeten Magnetsystem kann auf das Trägerteil verzichtet werden und die Leiterbahn (-en) direkt mit der Schallmembran verbunden sein. Der Einsatz eines elektrodynamischen Schwingerregers stellt eine konstruktiv vorteilhafte Möglichkeit zur Ausbildung eines die Schallmembran anregenden Antriebs dar. Darüber hinaus wird mittels des sich etwa über die Gesamthöhe der Schallmembran erstreckenden Schwingerregers die Schallmembran vorzugsweise gleichmäßig über die gesamte Höhe bewegt. Deshalb entstehen die Biegewellen in Form einer ebenen Wellenfront auf der Schallmembran. Damit eine starke Kopplung zwischen dem Permanentmagneten und den stromdurchflossenen Leiterbahnen gewährleistet ist, sollten möglichst viele Leiterbahnen in den Magnetspalt integriert werden. (Kraftfaktor BI hoch). Weiterhin wird vorgeschlagen im Bereich des Magnetspalts als Zusatzwerkstoff Ferrofluid zu verwenden. Dies verbessert nochmals die Dämpfung und führt die aus elektrischen Verlusten entstandene Wärme ab. As a vibration exciter, a modified, often used in loudspeakers for use electrodynamic drive can be used. Instead of a concentric voice coil, a linear design is used. Its line of action is close to the fixed bearing of the sound membrane and is at the same time oriented perpendicular to the plane spanned by the sound membrane. Of particular importance is the low mass of all moving parts, such as sound membrane, carrier part and conductor tracks. Advantageously, materials such as aluminum (ECCA) and carbon nanotubes (SCNT) are used. According to a development of the invention, it is provided that the vibration exciter extends approximately over the height of the sound membrane, which is equipped with a permanent magnet, in the magnetic gap at least one conductor is located, which in turn is connected via a protruding support member back with the sound membrane. Instead of a permanent magnet and an electromagnet can be used. Depending on the magnet system used, the carrier part can be dispensed with and the printed conductor (s) can be connected directly to the sound membrane. The use of an electrodynamic vibration exciter constitutes a structurally advantageous possibility for the formation of a drive which stimulates the sound membrane. In addition, the sound membrane is preferably moved uniformly over the entire height by means of the vibration exciter extending approximately over the entire height of the sound membrane. Therefore, the bending waves in the form of a flat wavefront on the sound membrane. So that a strong coupling between the permanent magnet and the current-carrying conductor tracks is ensured, as many conductor tracks as possible should be integrated into the magnetic gap. (Force factor BI high). Furthermore, it is proposed to use ferrofluid as an additional material in the region of the magnetic gap. This further improves the damping and dissipates the heat resulting from electrical losses.

Es liegt ebenfalls im Rahmen der Erfindung, dass ein Lautsprechergehäuse vorgesehen ist. Der Einsatz eines Lautsprechergehäuses vereinfacht die Anwendung eines derartig erfindungsgemäßen elektroakustischen Wandlers vorteilhaft, da der Einbau der verschiedenen Bauteile des Biegewellenlautsprechers in ein Gehäuse, dessen mobile Einsatzmöglichkeiten verbessert, wie zum Beispiel das freie Aufstellen in Form eines Flachlautsprechers im Raum. Das häufig die Seiten und die Rückseite des Biegewellenlautsprechers begrenzende Gehäuse kann dabei vollständig geschlossen oder auch teilweise offen ausgebildet sein. Dabei ist die Ausbreitung des tieffrequenten Luftschalls zu berücksichtigen um einen akustischen Kurzschluss zu verhindern und die akustische Wirkleistung gut auszunutzen. Es ist gegebenenfalls auch möglich, die mit der Schallmembran gekoppelten Bauteile, wie zum Beispiel den Schwingerreger und das Festlager mit der Schallmembran, in ihren vorgegeben Abständen zueinander unmittelbar in einer Raumwand zu montieren.It is also within the scope of the invention that a speaker housing is provided. The use of a speaker housing simplifies the application of such an inventive electro-acoustic transducer advantageous because the installation of the various components of the bending wave loudspeaker in a housing whose mobile uses improved, such as the free installation in the form of a flat speaker in the room. The often the sides and the back of the bending wave speaker limiting housing can be completely closed or partially open. In this case, the propagation of the low-frequency airborne sound is to be considered in order to prevent an acoustic short circuit and to make good use of the acoustic active power. If appropriate, it is also possible to mount the components coupled to the sound membrane, such as, for example, the vibration exciter and the fixed bearing with the sound membrane, in their predetermined distances from one another directly in a room wall.

Nach anderen Weiterbildungen der Erfindung ist vorgesehen, dass die Schallmembran in Richtung Loslager dünner wird, im mittleren Bereich Verdickungen aufweist und am Festlager mit einer Art elastischen Biegescharnier aus Leichtmetall versehen ist. Ausführungsbeispiele der Erfindung, aus denen sich weiter erfinderische Merkmale ergeben, sind in den Zeichnungen dargestellt, es zeigen hierbei:According to other developments of the invention, it is provided that the sound membrane in the direction of the floating bearing is thinner, having thickenings in the central region and is provided on the fixed bearing with a kind of elastic bending hinge made of light metal. Embodiments of the invention, from which further inventive features are shown in the drawings, in which:

1 – Querschnitt durch den Lautsprecher (Anspruch 1, 2, 3, 4, 7, 9,) 1 - Cross section through the speaker (claim 1, 2, 3, 4, 7, 9,)

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11: Schallmembransound membrane
22: Dämpfungsbelagdamping coating
33: Leiterbahn (-en) auf TrägerteilTrace (s) on carrier part
44: Permanentmagnetpermanent magnet
55: Loslagermovable bearing
66: Festlagerfixed bearing
77: Gehäuse, rückseitig geschlossenHousing, closed on the back
88th: Rückführung der LeiterbahnenReturn of the tracks
99: Schallöffnung seitlich, DipolstrahlerSound opening at the side, dipole radiator

2 – Querschnitt durch Lautsprecher (Anspruch 1, 2, 3, 5, 7, 8) 2 - Cross section through loudspeaker (claim 1, 2, 3, 5, 7, 8)

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11: Schallmembransound membrane
22: Dämpfungsbelagdamping coating
33: Leiterbahn (-en), Stromrichtung alternierendTrace (-en), alternating current direction
44: Hochtemperatur Supraleiter (HTSC)High Temperature Superconductor (HTSC)
55: Loslagermovable bearing
66: Festlagerfixed bearing
77: Gehäuse, rückseitig offen, H-DipolstrahlerHousing, open at the back, H-dipole radiator

3 – Schallmembran Ausbildungen (Anspruch 2) 3 - Sound membrane training (claim 2)

4 – Schallmembran Ausbildung (Anspruch 3) 4 - Sound membrane training (claim 3)

5 – Schallmembran mit piezoelektrischen Schwingerreger (Anspruch 6) 5 - Sound membrane with piezoelectric oscillator (claim 6)

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11: Schallmembransound membrane
22: Dämpfungsbelagdamping coating
33: Leiterbahn (-en) auf TrägerteilTrace (s) on carrier part
44: Biegescharnierbending hinge
5 5: Loslagermovable bearing
66: Festlagerfixed bearing
77: Schallmembran mit VerdickungenSound membrane with thickening
88th: piezoelektrischer Aktuatorpiezoelectric actuator

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 10000048 A1 [0002]
DE 69915083 T2 [0002]

Claims

Electroacoustic transducer, in particular bending wave loudspeaker high oscillation, with at least one sound membrane and at least one transverse transverse waves in the sound membrane generating linear oscillator, characterized in that the sound membrane is a flat and thin plate body, in which a peripheral edge is designed as a fixed bearing. The plate body may be approximately rectangular and made of a light and stiff material. The oscillator is coupled to a surface area of the sound membrane in the vicinity of the fixed bearing and extends on a line approximately over the length of the fixed bearing.

Electroacoustic transducer according to claim 1, characterized in that the sound membrane is fully or partially covered with damping material, and or the sound membrane with increasing distance from the bearing becomes thinner, and or the sound membrane between the bearing and floating bearing has thickening, and or the sound membrane a very light material, for example carbon, graphene, bucky paper, light metal or their combinations.

Electroacoustic transducer according to claim 1 and 2, characterized in that the sound membrane between the fixed bearing and vibrator is designed to be particularly thin, and is made of a different material with particularly good elastic properties. (Light metal / alloys of: aluminum, beryllium, magnesium, titanium)

Electroacoustic transducer according to claims 1 to 3, characterized in that the electrodynamic vibration exciter is equipped as a drive with a extending approximately over the height of the sound membrane permanent magnet having a magnetic gap, in which provided with at least one conductor, with the back of the sound membrane protruding connected support part protrudes. The magnetic gap may be filled with ferrofluid.

Electroacoustic transducer according to claims 1 to 3, characterized in that the electrodynamic vibration exciter is equipped as a drive with a about the height of the sound membrane extending superconducting magnet system (HTSC) and at least one directly connected to the sound membrane conductor.

Electroacoustic transducer according to one of claims 1 to 3, characterized in that the oscillator is a piezoelectric actuator / oscillator.

Electroacoustic transducer according to one of claims 4 to 5, characterized in that the conductor track (s) of aluminum (ECCA) and / or carbon nanotubes (SCNT) are made to improve the ratio of conductivity and moving mass.

Electroacoustic transducer according to one of claims 1 to 7, characterized in that a housing is used which is open at the back. Freifeldaufstellung as H-dipole the converter radiates forward and backward.

Electroacoustic transducer according to one of claims 1 to 7, characterized in that a housing used which is open at the side. The opening may be formed as a tube, funnel or horn. This transducer works as a dipole in front of a closed wall and radiates sound forward and sideways.