DE102015104478A1

DE102015104478A1 - Flachlautsprecher

Info

Publication number: DE102015104478A1
Application number: DE102015104478.1A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2015-03-25
Filing date: 2015-03-25
Publication date: 2016-09-29
Anticipated expiration: 2035-03-26
Also published as: DE102015104478B4

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Flachlautsprecher (11) mit wenigstens zwei im Wesentlichen ebene Membranen (1) unterschiedlicher Größe, welche jeweils randseitig in einer Umrandung (5) aufgenommen sind und die jeweils über einen elektrodynamischen Wandler (6) zur Erzeugung von Biegewellen auf der jeweiligen Membran angeregt werden, wobei die Membranen (1) jeweils aus einer beidseitig beschichteten biegesteifen Polystyrol-Platte gebildet sind. Erfindungsgemäß sind die Membranen (1) aus extrudiertem Polystyrol gebildet und über eine elastische Randverbindung mit ihrer jeweiligen Umrandung (5) verbunden.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Flachlautsprecher mit einer ebenen Membran nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Die Erfindung betrifft insbesondere Flachlautsprecher, welche auf dem Prinzip von durch elektrodynamische Wandler auf ebenen Membranen erzeugten Transversalwellen zur Übermittlung einer akustischen Reaktion beruhen. Derartige Flachlautsprecher, die als Distributed Mode Loudspeaker (DML) bekannt sind, erzeugen auf der Membran Biegewellen, welche zu Multiresonanzen führen.
Bei dieser Erfindung wird im Vergleich zum Stand der Technik eine größere Anzahl von Multiresonanz-Moden erzeugt und die Abgabe der tiefen Frequenzen ab 85 Hz verbessert. Die Lautsprecher sind vorzugsweise als mobil platzierbare leichte Flachlautsprecher mit hoher Wiedergabequalität einsetzbar.
Zur Zeit gebräuchliche Lautsprechergehäuse enthalten meist elektrodynamische Konuslautsprecher oder auch Kolbenstrahler. Konuslautsprecher besitzen die Eigenschaft, auf der Membran Longitudinalwellen zu erzeugen. Die Luftmoleküle schwingen dabei längs zur Ausbreitungsrichtung. Die Schallabgabe von Konuslautsprechern besitzt eine starke Richtwirkung und eine somit starke Reflexion auf dichten und harten Materialen. Da die Membranfläche eines einzelnen Konuslautsprechers nicht den gesamten gewünschten Frequenzbereich von ca. 40 bis 20.000 Hz wiedergeben kann, werden, um unerwünschte Resonanzen auf der Membranfläche zu vermeiden, in der Regel zwei oder drei Treiber mit einer vorgeschalteten Frequenzweiche eingesetzt.
Ein Konuslautsprecher strahlt mit seiner Membran gleichzeitig, aber gegenphasig, nach vorne und hinten Schall ab. Um eine Auslöschung bestimmter Schallwellen zu vermeiden, ist eine unendliche Schallwand bzw. in der Praxis ein geschlossenes Gehäuse notwendig.
Bei Flachlautsprechern besteht die schallabgebende Fläche aus einer oder mehreren Membranen mit unterschiedlicher Strahlungscharakteristik und einer ebenen Fläche.
Aus der WO 2011/067060 A1 ist ein Flachlautsprecher bekannt, bei dem eine Vielzahl von Kleinstlautsprechern als Array ausgebildet und in einem plattenförmigen Gehäuse integriert ist. Die Wandler strahlen hier für die Hoch- und Mitteltonbereiche in das Gehäuse und die Druckwelle wird über einen Schlitz im Kantenbereich abgestrahlt.
Bei einem anderen bekannten Prinzip der Schallübertragung erfolgt die Schallabgabe durch Erzeugung von Biegewellen auf einer leichten, biegesteifen Platte als Membran. Über einen elektrodynamischen Anreger, auch Wandler genannt, werden auf der Membranebene Moden durch erzeugte Transversalwellen gebildet. Derartige Multiresonanzlautsprecher DML (Distributet Mode Loadspeaker) haben eine extrem geringe Bündelung, kurzes Ausschwingverhalten und gute Breitbandigkeit. Durch die akustische Reaktion durch die transversalen Wellen wird ein gutes räumliches Klangerlebnis erreicht.
Flachlautsprecher nach dem Prinzip der Multiresonanzlautsprecher sind entweder reine Biegenwellenwandler oder als Sonderform Wandler, bei denen das akustische Übertragungsprinzip durch erzeugte Biegewellenmoden und auch geregelte Luftdruckänderungen durch Membranauslenkungen erfolgt (Manger DE 100 00 048 A1 ). Allerdings ist bei diesem Übertragungsprinzip ein geschlossenes Gehäuse notwendig, um keinen elektroakustischen Kurzschluss zu erzeugen.
Die DE 696 05 123 T2 beschreibt im Detail das Wirkungsprinzip von Multiresonanzlautsprechern und Verfahren, insbesondere durch Finite-Element-Analysen, zur Optimierung der Klangcharakteristik. Die dort angegebenen Membranen bestehen aus expandiertem Polystryrol, das randseitig in einem umgebenden Rahmen befestigt ist.
Bekannte Biegewellenwandler für höherwertige Audio-Übertragungen sind für Übertragungen ab ca. 250 Hz bis 18 kHz ausgelegt. Um auch bei Frequenzen unter 250 Hz eine akzeptable Übertragung zu erreichen, werden Biegewellenwandler häufig in Kombination mit Konusstrahlern eingesetzt. Diese Ausführung bedingt wiederum ein entsprechendes Gehäuse mit notwendigem Eigengewicht und Volumen.
Aus der DE 693 32 472 T2 ist ein Planartyp-Lautsprecher mit einer ebenen Membran aus einem vorgedehnten Schaumkunststoff bekannt, bei dem die Membran aus aneinander angrenzenden rechteckigen Frequenzabschnitten gebildet ist, die getrennt zur Wiedergabe von niedrigen und hohen Frequenztönen ausgelegt sind. Jede der Frequenzabschnitte weist eine Schwingspule auf. Die Dichte des Schaummaterials unterscheidet sich in den beiden Frequenzabschnitten um den Faktor von etwa 1:2. Die Frequenzabschnitte weisen eine komplexe Struktur auf, die eine Linearisierung des Frequenzgangs bewirken soll.
Zur Vermeidung von Intermodulationen oder Interferenzen zwischen von einer einheitlichen Membran abgegebenen Frequenzen zeigt die US 4,997,058 ebenfalls eine Flachmembran mit zwei Bereichen zur Abgabe unterschiedlicher Frequenzen. Zur Verstärkung der Membran im Bereich der Schallerzeuger kann die Oberfläche der Membran Beschichtungen aus Harzen, Lacken oder Metallfolien aufweisen.
Die DE 10 2013 010 654 A1 zeigt einen Biegewellenlautsprecher, bei dem die Membran ein ebener und dünner Plattenkörper ist und eine Randkante als Festlager ausgebildet ist. Die gegenüberliegende Randkante ist im Wesentlichen frei schwebend gestaltet. Der Antrieb befindet sich in der Nähe des Festlagers.
In der US 4,003,449 ist ein Flachlautsprecher mit einer Membran aus zellularem Kunststoffmaterial angegeben, das zwei Bereiche mit unterschiedlicher Dicke aufweist, wobei Schlitze, Rippen und Perforationen mit Stopfen zur Qualitätsverbesserung des abgegebenen Frequenzspektrums vorgesehen sind.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Flachlautsprecher der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Art derart auszubilden, dass seine Klangcharakteristik verbessert ist, der Frequenzgang linearer und die Übertragung tieferer Frequenzen möglich wird, wobei die Räumlichkeit der Abstrahlung nicht verschlechtert wird, so dass auch mit Flachlautsprechern audiophilen Ansprüchen gerecht werden kann.
Die Erfindung geht aus von einem Flachlautsprecher, der wenigstens zwei im Wesentlichen ebene Membranen unterschiedlicher Größe aufweist, welche jeweils randseitig in einer Umrandung aufgenommen sind und die jeweils über einen elektrodynamischen Wandler zur Erzeugung von Biegewellen auf der jeweiligen Membran angeregt werden, wobei die Membranen jeweils aus einer beidseitig beschichteten biegesteifen Polystyrol-Platte gebildet sind.
Gemäß den kennzeichnenden Merkmalen der Erfindung sind die Membranen aus extrudiertem Polystyrol gebildet und über eine elastische Randverbindung mit ihrer jeweiligen Umrandung verbunden.
In Unteransprüchen sind bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung angegeben.
Während im Stand der Technik als Membran-Material üblicherweise in eine Form expandiertes oder geschäumtes oder im Spritzgussverfahren als Platte gespritztes Polystyrol zur Anwendung kommt, verwendet die Erfindung extrudiertes Polystyrol, das erheblich bessere Schallabgabewerte ermöglicht.
Die extrudierte Ausführung dieses Polymers ermöglicht durch ihre Struktur der Zellbildung durch Extrusion und geringer innerer Dämpfung eine optimale Übertragung der Schwingungen mit den ausgeübten Druck- und Scherkräften auf die Deckschichten der Membran.
Ein verwendetes extrudiertes Polystyrol besitzt vorzugsweise eine Rohdichte von 33 kg/m3 und eine Dauerdruckbelastung von bis zu 6,2 N/cm2 bei einer Stauchung < 2%. Damit ergeben sich ideale Voraussetzungen für eine Kernschicht der erfindungsgemäßen Sandwichplatte, nachfolgend Membran genannt, bestehend aus einer extrudierten Polystyrolplatte als Kern mit beidseitiger Beschichtung. Die Membran besitzt vorzugsweise eine Kernstärke zwischen 3,5 mm und 10 mm, jeweils in Abhängigkeit von den isometrischen Abmessungen der Membranfläche.
Eine besonders bevorzugte Ausführung des Kernmaterials ist die Ausführung des Kerns in einer Schichtstärke von 4,8 mm. Das Kernmaterial kann mit einer oder mehreren Deckschichten aus homogenem zugfesten Material oder Gewebe beschichtet sein. Die Beschichtung erfolgt mit Kleber oder Harzeinbettung, so dass sich eine mehrschichtige Sandwichplatte ergibt.
Experimentelle Versuchsreihen zeigten, dass bei der Verwendung von hochzugfesten Fasern als Deckschicht, wie Glas-, Kevlar- oder Aramidfasern in größerem Umfang auch die Beschichtungsstärke und die Art des Klebers für die Fasern für die Qualität der Modenbildung und somit für die Qualität der akustischen Übertragung zuständig ist.
Vorzugsweise sind die Membranen in einer rechteckförmigen Lautsprecherebene aufgenommen, welche die Außenkanten der Lautsprecherebene bildende Längs- und Querstreben enthält, wobei die Längs- und Querstreben die ersten Teilstrecken der Umrandungen der Membranen bilden und aneinander angrenzende Membranen durch Trennstreben voneinander abgegrenzt sind, welche die zweiten Teilstrecken der Umrandungen bilden. Dadurch ist die gesamte Lautsprecherebene als Rechteck ausgebildet, das sich auch besonders zur Entwicklung eines ansprechenden Designs von Standlautsprechern eignet.
Wenn bei einem erfindungsgemäßen Flachlautsprecher die Längsstreben gegenüberliegender Außenkanten der Lautsprecherebene eine unterschiedliche Querschnittsgröße aufweisen und die die Längsstreben verbindendenden Querstreben und Trennstreben senkrecht zur Lautsprecherebene einen keilförmig verlaufenden Längsschnitt aufweisen, verteilen sich Schwingungen der Umrandung unsymmetrisch zwischen den Längsstreben des Lautsprechers, welches einen akustischen Kurzschluss zwischen Vorder- und Rückseite eines Lautsprechers verhindern hilft.
Ein erfindungsgemäßer Flachlautsprecher weist vorzugsweise eine um die Außenkanten der Lautsprecherebene geführte und die Oberflächen der Membranen nicht kontaktierende schalldurchlässige Bespannung auf. Diese dient einerseits dem Schutz der Membran und vermeidet andererseits unerwünschte Amplitudenüberhöhungen bei bestimmten Frequenzen.
Vorzugsweise enthalten die Membranen des Flachlautsprechers eine ein- oder mehrschichtige Beschichtung, die aus einer auf der Oberfläche der Membranen befestigten Papierschicht und darauf aufgebrachten Polymerdeckschichten gebildet ist.
Die erste Polymerdeckschicht ist bevorzugt vollflächig ausgeführt und die weiteren äußeren Polymerdeckschichten sind teilflächig ausgeführt.
Wenn die Membranen des Flachlautsprechers in bevorzugter Weise mit einer oder mehreren Polymerdeckschichten aus natürlichem anionischem Polymer, insbesondere natürlichem Schelllack, beschichtet sind, ergibt sich eine besonders homogene Modenverteilung der auf den Membranen erzeugten Modenstruktur.
Die elastische Randverbindung zwischen Membran und Umrandung besitzt vorzugsweise eine Shore-A-Härte von 16–20 und der mit der elastischen Randverbindung versehene Spalt zwischen dem Rand einer Membran und der umgebenden Umrandung weist eine Breite von 2,0–5,0 mm auf. Dies verbessert ebenfalls die Klangcharakteristik.
Die isometrischen Seitenverhältnisse eines erfindungsgemäßen Flachlautsprecher sind vorzugsweise so gestaltet, dass eine erste Membran mit einem isometrisches Seitenverhältnis von 1:1,2 bis 1:1,4 und eine zweite Membran mit einem isometrischen Seitenverhältnis von 1:1,5 bis 1:1,7 aneinander angrenzen, wobei die längere Teilstrecke der ersten Membran der kürzeren Teilstrecke der zweiten Membran entspricht, wodurch die Lautsprecherebene ein Seitenverhältnis von 1:2,2 bis 1:2,5 erhält.
Die Anordnung der elektrodynamischen Wandler eines erfindungsgemäßen Flachlautsprechers ist vorzugsweise so gewählt, dass der elektrodynamische Wandler der kleineren Membran in einer Entfernung von 0,4–0,6 der Längsausdehnung der Membran, ausgehend von der Längskante der Lautsprecherebene mit größerem Querschnitt, und 0,75–0,8 der Querausdehnung der Membran, ausgehend von der Trennstrebe zwischen den Membranen, an der kleineren Membran befestigt ist, und der elektrodynamische Wandler der größeren Membran in einer Entfernung von 0,25–0,30 der Querausdehnung der Membran, ausgehend von der Längskante der Lautsprecherebene mit größerem Querschnitt, und 0,30–0,40 der Längsausdehnung der größeren Membran, ausgehend von der Trennstrebe, angeordnet ist.
Die Übertragungsqualität eines nach dem Übertragungsprinzip der Multiresonanzbildung erstellten Flachlautsprechers ist von einem Zusammenspiel folgender Parameter abhängig:

– Stofflicher Aufbau der Membran
– Abmessungen der Membran sowie der die Membran(en) enthaltenden Lautsprecherebene
– Lage, Ausführung und Anzahl der anregenden Wandler
– Verbindung der Membrane mit der Umrandung
– Ausführung der Umrandung

Durch die Erfindung ist ein Flachlautsprecher angegeben, der diese Qualitätsanforderungen erfüllt. Er weist als Biegewellenwandler einen breitbandigen Frequenzverlauf auf und kann auch tiefere Frequenzen ab 80 Hz mit ausrechendem Schalldruckpegel erzeugen. Der Flachlautsprecher erreicht eine hohe Schallleistung und somit eine effiziente Umwandlung der eingegebenen Energie in Biegewellen mit verteilten Moden mit hohem Schalldruck. Der erfindungsgemäße Flachlautsprecher setzt ein weitgehend genaues Abbild des vorgegebenen eingespeisten elektronischen Signals durch die Bildung von transveralen Wellen in Schallleistung um. Ein erfindungsgemäßer Lautsprecher kann bei geringen Abmessungen als leichte Konstruktion im Raum aufgestellt und umgestellt werden. Ein solcher Flachlautsprecher kann als passiver Lautsprecher zum Anschluss an konventionelle Endstufen ohne weitere elektronische Regelung zur Frequenzanpassung verwendet werden.
Die Erfindung wird nachstehend an Hand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:
1 eine Schnittansicht durch einen Membranaufbau
2 eine Aufsicht auf eine Lautsprecherebene
3 einen horizontalen Schnitt durch einen Flachlautsprecher
4 eine Aufsicht auf eine Lautsprecherebene mit Ortsangaben für die verwendeten Wandler
5 eine Aufsicht auf eine alternative Ausbildung der Membranen eines Flachlautsprechers
6 eine schematische Darstellung der Elastizität der Umrandung im Bereich der Längsstrebe 7a
7 eine Darstellung der Beschichtung der Membranen
8 eine Darstellung von als Standlautsprecher ausgebildeten Flachlautsprechern
9 eine Anordnung von Lautsprechern der in 8 angegebenen Art vor einer Wand
10 eine Anordnung von Flachlautsprechern in einem Wohnraum
11 eine Anordnung von Flachlautsprechern an einer Wand in angeklapptem Zustand
12 eine Anordnung von Flachlautsprechern an einer Wand in ausgeklapptem Zustand
13 eine alternative Ausbildung der Verteilung von Membranflächen in einer Lautsprecherebene
14 eine Teilschnittansicht zur Verdeutlichung der Verbindung zwischen Membran und Umrandung.
In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung besteht die Membran des Flachlautsprechers aus einer mehrschichtigen Sandwichplatte. 1 zeigt den Schnitt durch die Membran mit einer maßstäblichen Vergrößerung bei einer Gesamtstärke von 4,15 mm. Der Kern 4 besteht erfindungsgemäß aus einem isotropen Material, einem extrudierten Polystyrol.
1 zeigt eine vorzugsweise erfindungsgemäße Ausführung der Membran 1 mit dem Kern 4 und den Deckschichten als Papier- 2 und Polymerbeschichtungen 3. Die Abbildung des Kernmaterials 4 zeigt maßstäblich die Zell-Struktur des extrudierten Polystyrols bei einer Materialstärke von 3,25 mm. Die ersten, beidseitigen Deckschichten des Sandwichaufbaus bestehen aus einem aufkaschierten Papier 2, vorzugsweise mit einem Flächengewicht von 120 g/m².
Die Ausführung der weiteren Deckschichten besteht aus Beschichtungen eines anionischen Polymers 3 in Form von Schelllack. Dieses natürliche Polymer besitzt die Eigenschaft einer sehr kurzen Polymerkette mit nur ca. sechs Monomeren und einer Molekülmasse von ca. 1.000. Die Monomere bestehen aus aliphatischer Polyhydroxysäure und zyklischen Terpene, welche über Polyesterverbindungen miteinander verknüpft sind. Dabei sind pro Deckschicht zwei bis zu drei Beschichtungen, teilflächig sowie oder auch vollflächig, vorgesehen. Das Flächengewicht eines Beschichtungsauftrages beträgt 29 g/m².
Das Flächengewicht einer beispielhaft ausgeführten Membran beträgt je nach Schichtenaufbau zwischen ca. 534 g/m² und 592 g/m². Durch diese Wahl und Ausführung der Beschichtung werden die Ausbreitung der Transversalwellen und das Schwingverhalten der Moden auf der Membranoberfläche verbessert.
In einer alternativen Ausführung der Membran ist die Beschichtung des Kerns 4, mit oder ohne Deckschicht aus Papier oder Gewebe, mit einer Beschichtung aus einem glycidylbasierten Epoxidharz oder einem anderen Harz mit geringer Molekülmasse ausgebildet. Vorzugsweise ist der Beschichtungsauftrag aus Epoxidharz nicht mehr als 60g/m² pro Deckschicht.
7 zeigt die Ansicht der Membranflächen eines Flachlautsprechers 11b mit einer schematischen Darstellung einer vorzugsweisen Beschichtung 12 aus einem anionischen Polymer wie in 1 beschrieben. Hier zeigt (a) die erste, (b) die zweite und (c) die dritte Beschichtungsebene. Mit dem festgelegten, ab der ersten Beschichtungsebene nur teilflächig ausgeführten Aufbau, wird besonders die Modenzahl für eine Wiedergabe bis hinunter zu 80 Hz verbessert.
Die dem System zugeführte Energie über den Wandler wird optimal ausgenutzt, da die Schallenergie von der Vorderseite der Membranfläche in keiner Phasenbeziehung zu der Rückseite der Membran steht und somit keine Auslöschungen erfolgen.
Experimentelle Versuchsreihen zur Gestaltung der Membranflächen ergaben, dass bei der beschriebenen Membran mit beidseitiger Abstrahlung kein markanter akustischer Kurzschluss stattfindet, wenn die Befestigung und Einspannung in die Umrandung wie nachfolgend beschrieben eingehalten wird.
Teilfrequente Auslöschungen durch Reflexionen können vermieden werden, wenn ein bestimmter Wandabstand 21 mit min. 16 cm mit der Membranfläche parallel zur Wand gemäß 9, oder bei einer Abwinkelung der Membranfläche 11 gemäß 11 und 12 von min 30° zur Wandfläche eingehalten werden. Trotz der beidseitigen freien Abstrahlung der Membranflächen zeigten Versuchsreihen nur minimale Einbußen der Klangqualität durch Auslöschungen. Die Ursache der vergleichsweise geringen Wandreflektion liegt in der Art und Weise der Ausbreitung der Transversalwellen auf der Membranoberfläche mit den damit verbundenen verteilten Luftdruckdifferenzen im Vergleich zu den stärker reflektierenden und bündelnden Konus- oder Kolbenschwingern mit dadurch erzeugten Longitudinalwellen. Dieser grundlegende Vorteil von Transversalwellen ermöglicht das Platzieren der gesamten Membranfläche, mit abstrahlender Vorder- wie Rückseite ohne akustischen Qualitätsverlust, frei im Raum.
Die in 2 dargestellte Ausführung eines Flachlautsprechers 11a zur Abbildung von Biegewellenresonanzen besteht aus zwei Membranflächen 1a, 1b in unterschiedlichen Abmessungen, welche einzeln an einer die gesamte Lautsprecherebene umfassenden Umrandung 5 aus Holz befestigt und mit jeweils einem Wandler 6 versehen sind. Für die experimentellen Versuchsreihen wurden handelsübliche elektrodynamischer Wandler mit einer Nennbelastbarkeit von 25 W mit einem Schwingspulendurchmesser von 32,5 mm und einem Gesamtgewicht von 120 g eingesetzt. Der Masseanteil des frei schwingenden Bauteils mit dem Neodym-Magneten beträgt 110 g. Die Wandler 6 dienen dazu, Biegewellen in den Membranen anzuregen, welche dann Moden auf der Membranoberfläche erzeugen, die dann ein akustisches Ausgangssignal abbilden. Die Wandler sind, wie dargestellt, durch Anschlussleitungen mit einem Audio-Signalverstärker 33 verbunden. Je nach Ausführung der Flachlautsprecher ist es auch möglich, passive oder aktive Frequenzkorrekturen den Wandlern vorzuschalten. Die nachfolgenden beschriebenen Ausführungsbeispiele lassen sich, abgesehen vom Überlastungsschutz, ohne weitere Weichenbauteile an handelsübliche Verstärker anschließen.
Ein charakteristisches Merkmal von Multiresonanzmembranen ist die unterschiedliche Bildung von Schwingungsmoden in wesentlicher Abhängigkeit von den Abmessungen der Membranen und der Positionierung der Wandler auf dem Plattenmaterial. Eine kleine Membran, Größe ca. 30 × 23 cm, besitzt bei dem vorzugsweise vorgestellten Membranaufbau eine hohe Modendichte, wobei sich dabei nur ein Frequenzspektrum ab 250 Hz abbilden lässt und der Mitteltonbereich erhöht abgebildet wird. Ein größere Membran, Abmessungen ca. 64 × 47 cm, kann mehr Moden für eine niederfrequente Abbildung ausbilden. Ein frei in den Raum gestellter Flachlautsprecher mit großen Abmessungen in Breite und Höhe, möglichst in Kopfhöhe positioniert, kann durch seine Größe den jeweiligen Raum einer Wohnung optisch dominieren.
Durch eine besondere Einspannung der Membrane in die Umrandung, die Ausbildung der Umrandung und die Kombination der unterschiedlichen Membranabmessungen lassen sich kleinere Abmessungen des Lautsprechers und ein breitbandiger Frequenzverlauf entwickeln.
Die experimentellen Versuchsreihen zeigten, dass die Qualität der akustischen Abbildung nicht nur von Ausbildung und Abmessungen der Membran und der Positionierung der Wandler, sondern auch wesentlich von der Ausführung und dem Material der Umrandung sowie der Befestigung der Membranen abhängig ist. Die Zusammenhänge, die gegenseitige Abhängigkeit der einzelnen Parameter, der Aufbau der Membran mit seiner ganz – und oder teilflächigen Beschichtung, die Flächengeometrie der Membran, die geometrische Lage des Wandlers, die Art und Ausgestaltung der Umrandung und letztendlich auch die Art der Befestigung von Membran und Umrandung, wurde in Versuchsreihen dokumentiert und erfindungsgemäß entwickelt.
In den Versuchsanordnungen mit dem vorgenannten entwickelten Membran wurde festgestellt, dass zwei in den isometrischen Abmessungen unterschiedliche Membranbauteile in einer Umrandung sich optimal ergänzen, wenn in dem Zusammenspiel der Zweiergruppe die Membranabmessungen von einem isometrischen Seitenverhältnis von 1:1,34 abweichen.
Bei der in 2 gezeigten Ausführung eines Flachlautsprechers 11a besteht die Lautsprecherbene aus zwei Membranen 1a, 1b, wobei die isometrischen Seitenverhältnisse der Membranen und die Koordinaten der Wandlers suboptimal nach dem gängigen Kenntnisstand ausgestaltet sind. Durch die Wahl eines verbesserten Seitenverhältnisses wird bei der ersten Membran ein Abbilden der tieferen Frequenzen zu Lasten höherer Frequenzabbildungen erhöht, während die zweite Membran dann den Frequenzverlauf ausgleicht.
Ein weiteres Merkmal der Erfindung bezieht sich auf die Ausführung der teilelastischen Einfassung der Umrandung 5 der Membrane. Die Membranflächen 1a, 1b, und 1c, 1d werden so eingefasst, dass die kinetische Energie der niederfrequent gebildeten Moden kontrollierte Schwingungen der Umrandung erzeugen können, die dann in Schallwellen umgewandelt werden. 6 zeigt die Seitenansicht eines Lautsprechers mit einer schematischen Darstellung des Schwingverhaltens bei niederfrequenten Abbildungen. Der Pfeil 35 zeigt die Bewegungsenergie niederfrequenter Moden 34 und der Pfeil 36 den Anteil der Federenergie in der Umrandung.
3 zeigt eine keilförmig ausgeführte Umrandung 5 mit Längsstreben 7a, 7b unterschiedlicher Form und Größe. Mit diesen wird eine elastische Federung der Umrandung erreicht, welche den Schalleistungspegel bei niederen Frequenzen verbessert.
Bei der erfindungsgemäßen Ausführung der teilweisen Umwandlung der eingebrachten kinetischen Energie in eine elastische Verformung der Umrandung mit dem gewünschten Rückschwingverhalten, ist es notwendig, eine ausreichend feste Verbindung 9 zwischen Membranfläche und Umrandung herzustellen.
Versuchsreihen ergaben, dass eine starre Verbindung zwischen Membran und Umrandung durch Einklemmen oder sonstige verformungsfreie Verbindungen über die Membrandeckfläche eine unerwünschte Verringerung der Modenzahl sowie deren teilweise Auslöschung zur Folge haben.
Wird die Membrandeckfläche mit der Umrandung über ein elastisches Band verbunden, so ist diese Verbindung aus einem Material mit geringer Elastizität herzustellen, um bei einem größeren Schallleistungspegel Flattereffekte zu vermeiden. Die Auflagefläche der Bänder minimiert die Modenbildung, was die Effektivität der Schallumwandlung und die Abbildungsfläche der Moden auf der Membranfläche mindert.
3 bildet einen Horizontalschnitt durch den Flachlautsprecher 11 ab. Die Membranfläche 1a wird durch die Längsstreben 7a und 7b eingefasst. Die Kontaktfläche des Wandlers 6 ist mit einer druckausgleichenden Platte 13 verklebt. Diese Platte mit einem hohen E-Modul und geringer Dämpfung bietet unter anderem die Möglichkeit, ein Austauschen des Wandlers zu ermöglichen, ohne die Membranfläche zu beschädigen. Eine vorzugsweise Ausbildung der Kontaktplatte 13 ist ein Plattenwerkstoff aus 3-Schicht Buche, insbesondere drei mit Phenolharz verleimte Buchenfurniere mit einer Gesamtstärke von 0,8 mm.
Eine Befestigung der Membran an der Umrandung erfolgt über die Stirnkanten 8, des Membranmaterials. Das Befestigungsmittel ist ein elastisches Material, vorzugsweise eine neutral vernetzte Siliconmasse, mit einer Shore-A-Härte von 17 bis 19. Eine vorteilhafte Modenbildung für tiefe Frequenzen kann durch die Variation der Spaltbreite 10 und eine teilweise Befestigung an der Längskante erreicht werden. Je nach Membrangröße und Abbildungsbereich entsprechender Moden liegt die Spaltbreite 10 zwischen 2,5 und 3,8 mm.
Die gesamte Fläche des Flachlautsprechers 11a/b ist mit einer schalldurchlässigen Bespannung 14 versehen, vorzugsweise in textiler Ausführung, mit einem Akustikgewebe mit geringer Dämpfung. Die Bespannung 14 ist in der Längsstrebe 7b eingefasst und wird durch einen Keder oder ein Klemmprofil 15 gehalten. Das Klemmprofil besitzt weiterhin die Funktion eines Verbindungselementes für eine Standfuß-, Wand- oder Deckenbefestigung. Es ist ein Abstand zwischen Membranoberfläche und Bespannung einzuhalten. In dieser Ausführung beträgt dieser an der Vorderseite ca. 1,5 mm. Das Strickgewebe der Bespannung wird auf Zug in der Horizontalen und Vertikalen an der Umrandung befestigt und unterstützt das Schwingverhalten des mechanischen Systems. Die Zugspannung im Gewebe beträgt rechtwinklig zu den Stäben ca. 3 N/cm Länge.
Das Prinzip dieser Erfindung wird im Folgenden anhand von zwei Ausführungsvarianten von Flachlautsprechern erläutert.
4 zeigt die Ausführungsvariante 11a, die Rückseite des Flachlautsprechers mit der Ansicht auf die Wandler 6. Die beiden Membranflächen 1a und 1b sind von der Umrandung 5, bestehend aus den keilförmigen Querstreben, einer Trennstrebe 37 und den Längsstreben 7a, b eingefasst. Die obere Membranfläche 1a besitzt ein isometrisches Seitenverhältnis von 1:1,30. Die bevorzugte Position der Wandler liegt bei x = 0,5 von der Längsstrebe 7b mit großem Querschnitt und y = 0,77 von der Trennstrebe 37 entfernt. Die untere Membranfläche 1b besitzt ein isometrisches Seitenverhältnis von 1:1,62, die bevorzugte Wandleranordnung liegt bei x = 0,28 von der Längsstrebe 7b und y = 0,36 von der Trennstrebe 37 entfernt.
5 zeigt die Ausführungsvariante 11b. Diese Ausführung besitzt, bedingt durch die geänderten Abmessungen der Membranfläche und geänderte Lage der Wandler, eine verbesserte niederfrequente Abbildung. Die beiden Membranflächen 1c und 1d sind wie die Ausführungsvariante 11a von einer Umrandung 5 mit den gleichen Profilquerschnitten und Streben eingefasst. Die obere Membranfläche 1c hat ein isometrisches Seitenverhältnis von 1:1,62, die bevorzugte Positionierung der Wandler liegt bei x = 0,29 und y = 0,61 der jeweiligen Längsstrebe 7b bzw. Trennstrebe 37. Die untere Membranfläche 1d hat ein isometrisches Seitenverhältnis von 1:1,29, die bevorzugte Wandlerpositionierung liegt bei x = 0,326 und y = 0,45 der jeweiligen Seitenstreben.
Die Seitenansicht der Ausführungsvariante 11b ist in 6 abgebildet. Dabei ist schematisch das Schwingverhalten der Membran 34 mit der Umrandung 5 im Bereich der vorderen Längsstrebe 7a abgebildet. Die Graphen zeigen die Anteile der Bewegungsenergie niederfrequenter Moden 35, eingebracht durch die Wandler 6 und die Anteile der Federenergie 36, welche ein großer Teil der potentiellen Energie der Umrandung besitzt. Die Energieumwandlung in die Federenergie entlastet die Verbindung zwischen Membrankante und Umrandung und ermöglicht so eine verbesserte akustische Abbildung im Bereich der niederfrequenten Moden. Das Ausschwingen ist nicht mit dem Verhalten eines Konusschwingers vergleichbar, sondern es ist durch das teilelastische Verhalten der Umrandung bestimmt.
8 zeigt die vorgestellten Ausführungsvarianten der Flachlautsprecher 11a und 11b in orthogonaler Ansicht. Die Flachlautsprecher sind mit einer Stütze 16 und Fußplatte 17 verbunden und somit als Standlautsprecher 22 ausgebildet. Die Fußplatte ruht an drei Punkten auf der Bodenfläche und ermöglicht so den festen Stand der Flachlautsprecher. An dem vorderen Teil der Fußplatte sind zwei Verstellmöglichkeiten 18 vorhanden. Im Bereich der Fußplatte lassen sich damit Bodenunebenheiten bis zu 6 mm ausgleichen. Bei der vorzugsweisen Ausführung beträgt das Gesamtgewicht des Standlautsprechers 22 mit Stütze und Fußplatte 5,0 kg, das Gewicht der kleineren Ausführung nur 4,1 kg. Die Standlautsprecher haben eine sehr geringe Bautiefe von 2,1 bis 3,7 cm und lassen sich durch das geringe Gewicht leicht im Raum verstellen.
In der in 8 gezeigte Ausbildung als Standlautsprecher ist das Anschlussterminal 19 an der rückseitigen Kantenfläche des Stützprofils angebracht. Bei einer weiteren Art der erfindungsgemäßen Ausführung ist im Stützfuß 16 oder innerhalb der Umrandung eine Passivweiche oder ein elektroakustischen Verstärker in Class D-Bauweise eingebaut. Zusätzlich könnte in dem Fuß eine Stromversorgung durch Akkumulatoren 20, vorzugsweise mit einer induktiven Energieübertragung, eingebaut sein.
In 9 sind im Grundriss Standlautsprecher 22 mit wandnahen Aufstellungen vor einer Wand 30 zu sehen. Die Form der Fußplatte 17 gewährleistet einen ausreichenden Wandabstand 21, damit es zu keinen bzw. nur geringen Auslöschungen durch Wandreflexionen kommt. Wichtig ist dabei festzustellen, dass die Schallübertragung durch die erzeugten Transversalwellen naturgesetzlich bei gleicher Schallleistung geringere Reflexionseigenschaften aufweisen als die klassischen Konusstrahler mit den erzeugten Longitudinalwellen.
10 zeigt einen Raumgrundriss mit einer maßstäblichen Fläche von 25 qm und veranschaulicht mit den ebenso maßstäblichen Proportionen von Einrichtungsgegenständen und den Schallwandlern den Vorteil der erfindungsgemäßen Ausführung der Lautsprecher in der Ausführung als Standlautsprecher 22 und 23a, 23b. In der Praxis sind klassische hifi-Lautsprecher nur annähernd optimal aufzustellen, da sich die räumlichen Gegebenheiten selten mit dem Abstrahlverhalten der Kolbenstrahler vereinbaren lassen. Im Grundriss ist exemplarisch ein klassisches Lautsprecherpaar (Kolbenstrahler) mit der Aufstellung im empfohlenen Stereodreieck 32 abgebildet. In dieser Aufstellung wäre der Ort mit der besten Übertragung an der Hörposition 24 bei POS 2, dem sogenannten sweet spot. Die Zuhörer bei POS 1 und 3 hätten dabei ein weit geringeres räumliches Hörempfinden, da das ausgesandte Signal des nächstliegenden Kolbensrahlers den Höreindruck dominiert und das Signal des entfernteren Lautsprechers dagegen kaum noch wahrnehmbar ist.
Eine mögliche Aufstellung der erfindungsgemäßen Ausführung, in der Ausführung der Flachlautsprecher als Standlautsprecher für eine Stereo 2.1 Wiedergabe, ist in dem Grundriss 10 maßstäblich abgebildet. Der Standlautsprecher 22 bildet den linken Stereokanal ab. Der Standlautsprecher für den rechten Stereokanal kann an den Standort 23a oder wahlweise an dem Standort 23b aufgestellt werden. An beiden unterschiedlichen Aufstellplätzen der Biegewellenwandler ist an allen drei Sitzpositionen, POS 1 bis 3, immer ein räumliches Abbild des Tonsignals in hifi-Qualität wahrnehmbar.
Je nach dem Reflexionsgrad der Wände, des Bodens, der Decke und den Einrichtungen sind Aufstellvarianten immer von diesen Raumbedingungen abhängig. Das geringe Gewicht der Standflachlautsprecher von ca. 4,5 kg ermöglicht das leichte Ausrichten und Umstellen. Je nach Ausführung der Membrangrößen der Flachlautsprecher, beispielhaft 11a, ist ein zusätzliche Lautsprecher als Subwoofer 25 für den Tieftonbereich bis herunter zu 120 Hz zu empfehlen.
11 zeigt im Grundriss eine beispielhafte Ausführung eines Flachlautsprechers 11, welcher auf der Wandfläche montiert und über Drehgelenke 26 an der Wand 30 befestigt ist. Wahlweise ist bei einer Befestigung mit geringem Wandabstand und beidseitiger Abstrahlung der Membranfläche eine Absorberfläche 27 vorzusehen. In 12 ist dabei das Lautsprecherelement, linker Stereokanal, mit ca. 30° geschwenkten Membranfläche und verbessertem Abstrahlverhalten abgebildet.
Eine weitere erfindungsgemäße Ausgestaltung eines Flachlautsprechers mit dem Übertragungsprinzip der Biegewellen ist in 13 dargestellt. In dieser bespielhaften Beschreibung sind zwei Membranflächen 1 in einer Umrandung 5 eingefasst. Dabei kann die Geometrie der Membrane von den rechtwinkligen Grundformen abweichen und Kanten können als definierte Freiformkurven ausgebildet werden. In 14 ist ein Horizontalschnitt im Bereich 29 mit der beispielhaften Ausbildung einer Aussparung 28 sowie einem Materialabtrag 31 der Umrandung beschrieben. Die Aussparungen und partiell ausgeführten Materialverjüngungen in der z-Achse ergibt eine Geometrie der Umrandung, welche an den gewünschten Bereichen ein Zurückfedern der Membranfläche ermöglicht. Dadurch wird eine verbesserte niederfrequente Schallabgabe erreicht.
Bezugszeichenliste

1: Membran
1a, 1b: Membranflächen
1c, 1d: Membranflächen
2: Papierschicht
3: Polymerschicht
4: Kern der Membran
5: Umrandung der Membranflächen
6: Wandler
7a: Längsstrebe
7b: Längsstrebe
8: Stirnkante der Membran
9: Verbindung der Membran mit der Umrandung
10: Spaltbreite
11: Flachlautsprecher
11a: Flachlautsprecher, Variante
11b: Flachlautsprecher, Variante
12: Beschichtungen der Membran
13: Druckausgleichsplatte
14: Bespannung
15: Klemmprofil
16: Stützfuß
17: Fußplatte
18: Höhenverstellung
19: Anschlussterminal
20: Passivweiche und oder Class-D Verstärker mit Akku
21: Wandabstand, Membranfläche zur Wand
22: Standlautsprecher, linker Kanal
23a/b: Standlautsprecher, rechter Kanal
24: Hörpositionen, POS 1 bis 3
25: Subwoofer
26: Drehgelenk
27: Absorberfläche
28: Aussparung an der Umrandung
29: Horizontalschnitt in 13
30: Wand
31: Materialabtrag an der Umrandung
32: Stereodreieck für Kolbenstrahler
33: Elektroakustischer Signal-Verstärker
34: Schwingverhalten der Umfassung im Bereich der Längsstrebe 7a
35: Bewegungsenergie niederfrequenter Moden im Bereich der Längsstrebe 7a
36: Anteil der Federenergie, System Umrandung im Bereich der Längsstrebe 7a
37: Trennstrebe

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

WO 2011/067060 A1 [0007]
DE 10000048 A1 [0009]
DE 69605123 T2 [0010]
DE 69332472 T2 [0012]
US 4997058 [0013]
DE 102013010654 A1 [0014]
US 4003449 [0015]

Claims

Flachlautsprecher (11) mit wenigstens zwei im Wesentlichen ebene Membranen (1) unterschiedlicher Größe, welche jeweils randseitig in einer Umrandung (5) aufgenommen sind und die jeweils über einen elektrodynamischen Wandler (6) zur Erzeugung von Biegewellen auf der jeweiligen Membran angeregt werden, wobei die Membranen (1) jeweils aus einer beidseitig beschichteten biegesteifen Polystyrol-Platte gebildet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Membranen (1) aus extrudiertem Polystyrol gebildet sind und über eine elastische Randverbindung mit ihrer jeweiligen Umrandung (5) verbunden sind.
Flachlautsprecher (11) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrodynamischen Wandler (6) exzentrisch an den jeweiligen Membranen (1) befestigt sind.
Flachlautsprecher (11) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Membranen (1) in einer rechteckförmigen Lautsprecherebene aufgenommen sind, welche die Außenkanten der Lautsprecherebene bildende Längsstreben (7a, 7b) und Querstreben enthält, wobei die Längsstreben (7a, 7b) und Querstreben erste Teilstrecken der Umrandungen (5) der Membranen (1) bilden und aneinander angrenzende Membranen durch Trennstreben (37) voneinander abgegrenzt sind, welche zweite Teilstrecken der Umrandungen bilden.
Flachlautsprecher (11) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Längsstreben (7a, 7b) gegenüberliegender Außenkanten der Lautsprecherebene eine unterschiedliche Querschnittsgröße aufweisen und dass die die Längsstreben (7a, 7b) verbindendenden Querstreben und Trennstreben (37) senkrecht zur Lautsprecherebene einen keilförmig verlaufenden Längsschnitt aufweisen.
Flachlautsprecher (11) nach Anspruch 3 oder Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass um die Außenkanten der Lautsprecherebene eine die Oberflächen der Membranen (1) nicht kontaktierende schalldurchlässigen Bespannung (14) geführt ist.
Flachlautsprecher (11) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (12) mehrschichtig aus einer auf der Oberfläche der Membranen (1) befestigten Papierschicht (2) und darauf aufgebrachter Polymerdeckschicht (3) gebildet ist.
Flachlautsprecher (11) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Polymerdeckschicht (3) ein- bis dreischichtig ausgeführt ist.
Flachlautsprecher (11) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Polymerdeckschicht (3) vollflächig ausgeführt ist und die weiteren äußeren Polymerdeckschichten teilflächig ausgeführt sind.
Flachlautsprecher (11) nach Anspruch 6 oder Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die ein oder mehreren Polymerdeckschichten (3) aus natürlichem Schelllack gebildet sind.
Flachlautsprecher (11) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die elastische Randverbindung eine Shore-A-Härte von 16–20 besitzt und der mit der elastischen Randverbindung versehene Spalt zwischen dem Rand einer Membran und der umgebenden Umrandung (5) eine Breite von 2,0–5,0 mm aufweist.
Flachlautsprecher (11a) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Membran mit einem isometrischen Seitenverhältnis von 1:1,2 bis 1:1,4 und eine zweite Membran mit einem isometrischen Seitenverhältnis von 1:1,5 bis 1:1,7 aneinander angrenzen, wobei die längere Teilstrecke der ersten Membran der kürzeren Teilstrecke der zweiten Membran entspricht, wodurch die gesamte Lautsprecherebene ein Seitenverhältnis von 1:2,2 bis 1:2,5 erhält.
Flachlautsprecher (11) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrodynamische Wandler (6) der kleineren Membran in einem Abstand von 0,4–0,6 der Längsausdehnung der Membran, ausgehend von der Längsstrebe mit größerem Querschnitt in der Lautsprecherebene, und 0,75–0,8 der Querausdehnung der Membran, ausgehend von der Trennstrebe (37) zwischen den Membranen, an der kleineren Membran befestigt ist, und dass der elektrodynamische Wandler der größeren Membran in einer Entfernung von 0,25–0,30 der Querausdehnung der Membran, ausgehend von der Längsstrebe der Lautsprecherebene mit größerem Querschnitt, und 0,30–0,40 der Längsausdehnung der größeren Membran, ausgehend von der Trennstrebe, angeordnet ist.
Flachlautsprecher (11) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Lautsprecherebene senkrecht ausgerichtet ist und die Längsstrebe (7a, 7b) mit größerem Querschnitt an einem Standfuß befestigt ist.