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Die Erfindung betrifft eine Membran für einen Schallwandler, insbesondere einen sogenannten Air Motion Transformer (AMT), sowie einen solchen Schallwandler.
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Schallwandler nach dem AMT-Prinzip sind aus
US 3,636,278 A bekannt. Sie weisen eine Membran auf, die ziehharmonikaartig hin- und hergefaltet ist, sodass zwischen den Falten luftgefüllte Taschen gebildet sind. Die Membran ist zwischen Polplatten im Luftspalt eines Magnetkreises angeordnet. Auf der Membran sind Leiterbahnen aufgebracht. Ein Stromfluss durch die Leiterbahnen bewirkt im Magnetfeld eine Verformung der Falten, bei der sich die luftgefüllten Taschen verengen oder erweitern und dabei Luft ausstoßen oder einziehen. Dabei ergibt sich eine Übersetzung zwischen der Geschwindigkeit der Membran und der Geschwindigkeit der angetriebenen Luft. Beispielsweise führt bei einer schmalen und tiefen Tasche bereits eine geringe Verengung durch verhältnismäßig langsames Bewegen der Seitenwände der Tasche aufeinander zu zu einem verhältnismäßig schnellen Ausstoß der in der Tasche enthaltenen Luft. Auf diese Transformation geht der Name Air Motion Transformer für diesen Typ des Schallwandlers zurück.
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Bei konventionellen Schallwandlern des AMT-Typs weisen alle Falten und die von ihnen gebildeten Taschen die gleiche Geometrie, also die gleiche Tiefe, Breite und Länge auf.
EP 2 158 789 B1 offenbart eine Membran für einen AMT-Schallwandler, die in verschiedene Segmente unterteilt ist. Die Segmente sind schwingungstechnisch voneinander isoliert, indem ihre Ränder durch Stege fixiert sind. Ein mittleres Segment weist mehrere verhältnismäßig kleine Lufttaschen mit zueinander identischen Abmessungen auf. Es wirkt als Hochtöner. Außen liegende Segmente weisen größere Lufttaschen mit wiederum zueinander identischen Abmessungen auf. Sie wirken als Tief- oder Mitteltöner.
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Bekannte AMT-Schallwandler weisen jedoch den Nachteil auf, dass ihr Übertragungsverhalten unerwünscht frequenzabhängig ist. Auch mit einer in Segmente unterteilten Membran nach
EP 2 158 789 lässt sich kein ausgeglichener Frequenzgang erreichen. Für viele Anwendungen ist jedoch ein breitbandiger Schallwandler mit ausgeglichenem Übertragungsverhalten über möglichst den ganzen Bereich des hörbaren Frequenzspektrums von etwa 20 Hz bis etwa 20 kHz wünschenswert.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Membran und einen Schallwandler mit verbessertem Frequenzübertragungsverhalten zu schaffen.
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Diese Aufgabe gelingt mit einer Membran und einem Schallwandler, wie sie in den beiliegenden Ansprüchen angegeben sind.
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Die erfindungsgemäße Membran für einen AMT-Schallwandler weist Falten auf, die nebeneinander liegende Taschen bilden, die abwechselnd zur einen und zur anderen Seite der Membran hin offen sind. Sie unterscheidet sich von bekannten Membranen von AMT-Schallwandlern dadurch, dass das Transformationsverhältnis der Membrangeschwindigkeit zur Geschwindigkeit der angetriebenen Luft von Falte zu Falte entlang der Membran kontinuierlich bzw. stetig variiert. Dadurch lässt sich ein ausgeglichenes Übertragungsverhalten über einen weiten Frequenzbereich erzielen.
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Die abhängigen Ansprüche betreffen bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung.
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In Ausführungsformen nimmt die Breite, Tiefe und/oder Länge der jeweiligen Taschen über eine Vielzahl an Taschen (mindestens drei oder fünf, vorzugsweise mindestens ein Viertel oder die Hälfte der Gesamtzahl der Taschen der Membran) von Tasche zu Tasche kontinuierlich bzw. stetig zu. Alternativ kann sie ebenso stetig abnehmen. Die Breite, Tiefe oder Länge kann beispielsweise von einem Rand der Membran zum gegenüberliegenden Rand hin stetig abnehmen. Sie kann jedoch auch von einem Rand zum gegenüberliegenden Rand hin stetig zunehmen. Vorzugsweise kann sie von einem Rand der Membran zur Mitte stetig abnehmen und weiter von der Mitte zum gegenüberliegenden Rand der Membran wieder stetig zunehmen oder umgekehrt von einem Rand zur Mitte stetig zunehmen und weiter von der Mitte zum gegenüberliegenden Rand wieder stetig abnehmen. Aufgrund der stetigen Ab- oder Zunahme weist eine Tasche zwei benachbarte Taschen auf, von denen sie sich in ihrer Breite, Tiefe und/oder Länge unterscheidet. Beispielsweise ist die auf einer Seite benachbarte Tasche breiter, tiefer oder länger und die auf der anderen Seite benachbarte Tasche weniger breit, weniger tief oder weniger lang als die dazwischen liegende. In einer bevorzugten Ausführungsform weisen keine zwei benachbarten Taschen die gleiche Breite, Tiefe und Länge auf. Die hier genannten Bedingungen für die Breite, Höhe und/oder Tiefe gelten zumindest für die zur selben Seite der Membran hin offenen Taschen, vorzugsweise aber für die Gesamtheit der nach beiden Seiten der Membran hin offenen Taschen. Diese Anordnungen vermeiden ausgeprägte Eigenresonanzen im Schwingungsverhalten der Membran. Außerdem lässt sich der Frequenzgang über den Frequenzbereich durch Wahl der größten und kleinsten Taschenbreite, -tiefe und/oder -länge und des Maßes der Änderung der Taschenbreite, -tiefe und/oder -länge zwischen jeweils benachbarten Taschen einfach einstellen.
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Im Schallwandler ist die Membran im Luftspalt zwischen Polplatten eines magnetischen Kreises angeordnet. Vorzugsweise weisen die Polplatten einen von Falte zu Falte gleichbleibenden Abstand zu den Falten der Membran auf. Wo die Taschen eine geringere Tiefe aufweisen, stehen sich die Polplatten also mit geringerem Abstand einander gegenüber. Dort ist die Magnetflussdichte erhöht gegenüber Bereichen mit größerem Abstand der Polplatten voneinander. Die erhöhte Magnetflussdichte kann zur Beeinflussung des Frequenzgangs genutzt werden, wobei der Schallpegel der hohen Töne, die von den weniger tiefen Lufttaschen abgestrahlt werden, erhöht ist.
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Die Polplatten lassen sich besonders einfach fertigen, wenn sie eine gleichbleibende, konstante Dicke aufweisen. An Stellen verringerten Abstands zwischen den Polplatten sind die Polplatten aufeinander zu gebogen, also aus Sicht der jeweils anderen Polplatte konvex und aus Sicht von außen konkav gekrümmt. Zur weiteren Erhöhung der Magnetflussdichte an Stellen verringerten Abstands zwischen den Polplatten kann die Dicke einer oder beider Polplatten an diesen Stellen auch reduziert sein.
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Die Erfindung ist insbesondere für Kopfhörer geeignet, da sie alle Frequenzbereiche des hörbaren Schallspektrums einschließlich sehr tiefer Töne mit ausreichend Membranhub wiedergeben kann. Dabei löst sich die Erfindung von der hergebrachten Vorstellung, dass ein weiter Frequenzbereich über beispielsweise drei Dekaden von 20 Hz bis 20 kHz mehrere voneinander getrennte Systeme, beispielsweise Hochtöner, Mitteltöner und Tieftöner notwendig mache. So findet ein erfindungsgemäßer Schallwandler in kompakten Systemen beispielsweise einem Kopfhörer Platz.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen angegeben. Darin zeigt
- 1 einen Querschnitt durch eine Membran für einen Schallwandler nach einem Ausführungsbeispiel,
- 2 eine perspektivische Ansicht der Membran von 1,
- 3 einen Querschnitt durch eine Membran für einen Schallwandler nach einem weiteren Ausführungsbeispiel,
- 4 eine perspektivische Ansicht der Membran von 3,
- 5 einen Querschnitt durch einen Schallwandler mit der Membran von 3,
- 6 eine perspektivische Ansicht des Schallwandlers von 5,
- 7 eine Aufsicht auf eine Membran für einen Schallwandler nach einem weiteren Ausführungsbeispiel, und
- 8 eine perspektivische Ansicht der Membran von 7.
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In den Figuren sind gleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen. Zur Orientierung im Raum ist in den Figuren jeweils ein Koordinatensystem eingezeichnet, in dem die Richtung der Breite der Membran mit W, die Richtung der Höhe der Membran mit H und die Richtung der Dicke oder Tiefe der Membran mit D bezeichnet ist. Bezugnahmen auf die Breite, Höhe und Tiefe beziehen sich im Folgenden auf dieses Koordinatensystem.
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Die in den 1 und 2 dargestellte Membran 10 eignet sich für einen AMT-Schallwandler. Sie ist in Tiefenrichtung D hin- und hergefaltet, sodass Bergfalten 21, 23, 25, 27 und Talfalten 22, 24, 26 einander in Richtung der Breite W der Membran abwechseln. Somit sind zwischen benachbarten Bergfalten zur in Tiefenrichtung einen Seite der Membran hin (oben in den Figuren) offene Taschen 11, 13, 15 und zwischen benachbarten Talfalten zur in Tiefenrichtung anderen Seite der Membran hin (unten in den Figuren) offene Taschen 12, 14 gebildet. Die Länge der Falten bzw. Taschen erstreckt sich in Richtung der Höhe H der Membran.
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Die Membran 10 ist in üblicher Weise mit (nicht dargestellten) Leiterbahnen versehen. Bei Verwendung in einem Schallwandler ist die Membran einem Magnetfeld ausgesetzt, dessen Flusslinien in Tiefenrichtung D verlaufen. Ein elektrischer Strom in den Leiterbahnen im Magnetfeld erzeugt Kräfte, die in im Prinzip bekannter Weise je nach Stromrichtung die nach oben offenen Taschen 11, 13, 15 in Breitenrichtung W verengen und gleichzeitig die nach unten offenen Taschen 12, 14 erweitern, oder umgekehrt. Dabei wird Luft aus den Taschen zur einen Seite der Membran 10 hin ausgetrieben und auf der anderen Seite der Membran 10 Luft in die Taschen eingezogen.
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Eine Besonderheit der Membran 10 besteht darin, dass die Breite zumindest der nach einer Seite der Membran hin offenen Taschen 11, 13, 15 über die Membran hinweg von Tasche zu Tasche kontinuierlich zu- oder abnimmt. Ebenso nimmt die Breite der zur anderen Seite der Membran hin offenen Taschen 12, 14 über die Membran hinweg von Tasche zu Tasche kontinuierlich zu oder ab. Im dargestellten Beispiel ist die Breite der jeweiligen Taschen am Rand 20 (links in den Figuren) der Membran 10 groß, nimmt zur Mitte hin kontinuierlich ab und nimmt von der Mitte zum gegenüberliegenden Rand 29 (rechts in den Figuren) der Membran 10 hin wieder kontinuierlich zu.
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Keine zwei benachbarten zur gleichen Seite der Membran hin offenen Taschen 11, 13 oder 13, 15 weisen die gleiche Breite auf. Beispielsweise weist die der Tasche 13 links benachbarte Tasche 11 eine größere Breite als die Tasche 13 und die der Tasche 13 rechts benachbarte Tasche 15 eine geringere Breite als die Tasche 13 auf. Ebenso weist die Tasche 12 eine größere Breite als die Tasche 14 auf. Jedoch können zwei unmittelbar nebeneinander liegende und zu unterschiedlichen Seiten der Membran hin offene Taschen die gleiche Breite aufweisen. So können die Taschen 11 und 12 die einander gleiche relativ größere Breite und die Taschen 13 und 14 die einander gleiche relativ kleinere Breite aufweisen. Jedoch kann die Breite der Tasche 12 auch zwischen denen der Taschen 11 und 13 und die Breite der Tasche 14 auch zwischen denen der Taschen 13 und 15 liegen.
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Die dargestellte Form der Membran 10 bewirkt, dass sich bei Verwendung der Membran 10 im Schallwandler das Verhältnis der Geschwindigkeit der Membran 10 zur Geschwindigkeit der in den Taschen angetriebenen Luft also die Transformation der Membrangeschwindigkeit zur Luftgeschwindigkeit von Tasche zu Tasche über die Fläche der Membran hinweg stetig ändert. Dies bewirkt einen ausgeglichenen Frequenzgang über einen weiten Frequenzbereich. Der Frequenzgang über den Frequenzbereich ist durch Wahl der größten und kleinsten Taschenbreite und des Maßes der Änderung der Taschenbreite zwischen jeweils benachbarten Taschen einfach einstellbar.
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Die in den 3 und 4 dargestellte Membran 30 ähnelt der Membran 10 aus den 1 und 2. Zwischen benachbarten Bergfalten 41, 43, 45 sind zur einen Seite der Membran hin (oben in den Figuren) offene Taschen 31, 33, 35 und zwischen benachbarten Talfalten 42, 44, 46 zur anderen Seite der Membran hin (unten in den Figuren) offene Taschen 32, 34 gebildet. Im Folgenden werden die Unterschiede zur Membran 10 beschrieben.
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Während bei der Membran 10 die Tiefe aller Taschen 11 ... 15 einander gleich ist, nimmt bei der Membran 30 die Tiefe der Taschen 31 ... 35 über die Membran hinweg von Tasche zu Tasche kontinuierlich zu oder ab. Im dargestellten Beispiel ist die Tiefe der jeweiligen Taschen am Rand 40 (links in den Figuren) der Membran 30 groß, nimmt zur Mitte hin kontinuierlich ab und nimmt von der Mitte zum gegenüberliegenden Rand 49 (rechts in den Figuren) der Membran 30 hin wieder kontinuierlich zu. Wie den 3 und 4 zu entnehmen ist, weisen die meisten Taschen 31 ... 35 jeweils zwei ungleich tiefe Seitenwände auf: so ist für die Tasche 32 die Seitenwand auf Seiten der Falte 42 tiefer als die Seitenwand auf Seiten der Falte 44. Unter der Tiefe einer Tasche soll das mittlere Tiefenmaß ihrer beiden Seitenwände verstanden werden.
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Keine zwei nebeneinanderliegenden Taschen 31 ... 35 weisen die gleiche Tiefe auf. Beispielsweise weist die links neben der Tasche 32 liegende Tasche 31 eine größere Tiefe als die Tasche 32 und die rechts neben der Tasche 32 liegende Tasche 33 eine geringere Tiefe als die Tasche 32 auf.
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Im Übrigen gleicht die Membran 30 der Membran 10.
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Auch bei der Membran 30 ändert sich die Transformation der Membrangeschwindigkeit zur Luftgeschwindigkeit von Tasche zu Tasche über die Fläche der Membran hinweg stetig. Dies bewirkt einen ausgeglichenen Frequenzgang über einen weiten Frequenzbereich. Der Frequenzgang über den Frequenzbereich ist durch Wahl der größten und kleinsten Taschentiefe und des Maßes der Änderung der Taschentiefe zwischen jeweils benachbarten Taschen einfach einstellbar.
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Die 5 und 6 zeigen einen Schallwandler mit der Membran 30. Die Membran 30 ist im Luftspalt eines Magnetkreises zwischen zwei Polplatten 47, 48 angeordnet, von denen die Polplatte 47 in Tiefenrichtung unter und die Polplatte 48 in Tiefenrichtung über der Membran angeordnet ist. Ein Permanentmagnet und ein Joch (beide nicht dargestellt) schließen den Magnetkreis. Das Magnetfeld B verläuft im Magnetspalt etwa in Tiefenrichtung D. Die Polplatte 48 ist mit schlitzförmigen Öffnungen 49 versehen, durch die der vom Schallwandler erzeugte Schall an die Umgebung abgegeben wird.
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Mindestens eine, vorzugsweise aber wie dargestellt beide Polplatten 47, 48 folgen der Kontur der unterschiedlich tiefen Taschen 31 ... 35: die Polplatte 47 weist etwa den gleichen Abstand von allen Bergfalten 41, 43, 45 und die Polplatte 48 etwa den gleichen Abstand von allen Talfalten 42, 44, 46 auf. Daher ist der Magnetspalt zwischen den Polplatten im Bereich geringerer Taschentiefe kleiner und der Magnetfluss dort höher als im Bereich größerer Taschentiefe. Der größere Magnetfluss erhöht den Wirkungsgrad der Taschen geringerer Tiefe und damit die Abstrahlung von hochfrequentem Schall durch diese. Während im dargestellten Ausführungsbeispiel die Polplatten 47, 48 eine im Wesentlichen konstante Dicke in Tiefenrichtung D aufweisen, kann ihre Dicke im Bereich der geringen Taschentiefe auch reduziert sein, um den Magnetfluss dort noch weiter zu erhöhen.
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Die in den 7 und 8 dargestellte Membran 50 ähnelt den Membranen 10 und 20 aus den 1 bis 6. Zwischen benachbarten Bergfalten 61, 63, 65 sind zur einen Seite der Membran hin (oberhalb der Zeichenebene in 7, oben in 8) offene Taschen 51, 53, 55 und zwischen benachbarten Talfalten zur anderen Seite der Membran hin (unterhalb der Zeichenebene in 7, unten in 8) offene Taschen 52, 54 gebildet. Im Folgenden werden die Unterschiede zu den Membranen 10 und 30 beschrieben.
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Während bei den Membranen 10 und 30 die Länge aller Falten bzw. Taschen in Höhenrichtung H der Membran 10, 30 einander gleich ist, nimmt bei der Membran 50 die Länge der Taschen 51 ... 55 über die Membran hinweg von Tasche zu Tasche kontinuierlich zu oder ab. Im dargestellten Beispiel ist die Länge der jeweiligen Taschen am Rand 60 (links in den Figuren) der Membran 50 groß, nimmt zur Mitte hin kontinuierlich ab und nimmt von der Mitte zum gegenüberliegenden Rand 69 (rechts in den Figuren) der Membran 50 hin wieder kontinuierlich zu. Wie den 7 und 8 zu entnehmen ist, weisen die meisten Taschen 51 ... 55 jeweils zwei ungleich lange Seitenwände auf: so ist für die Tasche 51 die Seitenwand auf Seiten der Falte 61 länger als die Seitenwand auf Seiten der Falte 63. Unter der Länge einer Tasche soll das mittlere Maß ihrer beiden Seitenwände in Höhenrichtung H der Membran 50 verstanden werden.
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Keine zwei nebeneinanderliegenden Taschen 51 ... 55 weisen die gleiche Länge auf. Beispielsweise weist die links neben der Tasche 52 liegende Tasche 51 eine größere Länge als die Tasche 52 und die rechts neben der Tasche 52 liegende Tasche 53 eine geringere Länge als die Tasche 52 auf.
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Im Übrigen gleicht die Membran 50 den Membranen 10 und 30.
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Auch bei der Membran 50 ändert sich die Transformation der Membrangeschwindigkeit zur Luftgeschwindigkeit von Tasche zu Tasche über die Fläche der Membran hinweg stetig. Dies bewirkt einen ausgeglichenen Frequenzgang über einen weiten Frequenzbereich. Der Frequenzgang über den Frequenzbereich ist durch Wahl der größten und kleinsten Taschenlänge und des Maßes der Änderung der Taschenlänge zwischen jeweils benachbarten Taschen einfach einstellbar.
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In den dargestellten Ausführungsbeispielen ist jeweils entweder die Breite, die Tiefe oder die Länge der Taschen von Tasche zu Tasche variiert. Die Variationen der Breite, der Tiefe und/oder der Länge können jedoch auch miteinander kombiniert werden, um den Effekt der Erfindung zu verstärken.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 3636278 A [0002]
- EP 2158789 B1 [0003]
- EP 2158789 [0004]
