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Die Erfindung betrifft einen Biegewellenwandler zur Schallabstrahlung, insbesondere zur Raumbeschallung.
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Biegewellenwandler sind prinzipiell bekannt und werden in verschiedenen Zusammenhängen zur Schallabstrahlung angewandt. Ein Beispiel kann der
DE 200 06 420 U1 entnommen werden. Der dort offenbarte Biegewellenwandler besteht aus einer biegesteifen Schallwand, die durch mehrere Biegewellenschallwandler zu Biegeschwingungen angeregt wird.
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Aus der
DE 201 04 842 U1 ist ein Biegewellenwandler bekannt, der aus einem Flachlautsprecher und einem Vorsatz besteht. Der Lautsprecher ist für den Einsatz in Kirchen vorgesehen. Der Vorsatz ist nach Art eines Schlitzgitters ausgebildet und als Anzeigetafel verwendbar, auf die z.B. Nummer von Liedern geschrieben werden können, die während eines Gottesdienstes von der Gemeinde gesungen werden.
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Ein flächiger Schallabsorber, der zugleich Schallwandler enthält und als Biegewellenwandler zur Schallabstrahlung genutzt werden kann, ist aus der
DE 20 2013 105 545 bekannt.
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Weiter offenbart die
DE 10 2006 049 030 B3 einen Lautsprecher für Flugzeugkabinen. Der Lautsprecher nutzt ein Wandverkleidungselement der Flugzeugkabine als Membran und regt diese zu Biegebewegungen an. An dem Wandverkleidungselement sind dazu mehrere Schallwandler angeordnet, die das Wandverkleidungselement als Membran nutzen. Das Wandverkleidungselement ist ein relativ dickes mehrschichtig aufgebautes Kabinenteil. In dem Wandverkleidungselement können Schlitze oder Hohlräume angebracht sein, um die Schallverteilung über der Fläche zu verbessern.
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Bekannte Biegewellenwandler setzen typischerweise eine biegesteife Membran voraus. Eigenresonanzen solcher biegesteifen Membranen können zu einer erheblichen Verfälschung der Schallwiedergabe führen.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Biegewellenwandler mit verbesserten Eigenschaften anzugeben.
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Diese Aufgabe wird mit einem Biegewellenwandler nach Anspruch 1 gelöst:
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Der erfindungsgemäße Biegewellenwandler weist eine textile Membran auf, die einen flächenhaften Träger und ein oder mehrere daran befestigte Elemente aufweist, die die akustischen Eigenschaften der Membran lokal gezielt beeinflussen. Beispielsweise besteht der Träger aus einem textilen flächigen Material, das auf seiner gesamten Fläche ein einheitliches konstantes Flächengewicht aufweist. Das zusätzlich in oder an dem Träger angeordnete Element kann das z.B. Flächengewicht der Membran lokal vergrößern. Dadurch werden auf der Membran entlang laufende akustische Wellen gezielt beeinflusst. An dem Träger angeordnete Elemente können auch andere akustische Eigenschaften der Membran gezielt lokal beeinflussen, beispielsweise indem solche Elemente eine höher Steifigkeit als die Membran oder eine andere Schallfortpflanzungsgeschwindigkeit, einen anderen Wellenwiderstand oder dergleichen lokal veränderte Eigenschaft aufweisen.
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In oder an dem Träger angeordnete Elemente können auch dazu vorgesehen sein, die Membran lokal zu spannen oder zu entspannen. Beispielsweise kann die Membran insgesamt unter Zugspannung stehen, wobei die Elemente Bereiche abgrenzen können, in denen die Zugspannung erhöht oder vermindert ist.
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Der Träger weist vorzugsweise einen Rand auf, der in einer Halteeinrichtung gefasst ist. Die Halteeinrichtung schließt den Rand des Trägers dabei vorzugsweise mit dem Wellenwiderstand des Trägers bzw. der Membran ab, sodass an der Halteeinrichtung ankommende Schwingungen nicht reflektiert werden. Dies vermeidet die Ausbildung stehender Wellen auf der Membran.
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Der elektromechanische Wandler kann mit der Halteeinrichtung und somit mit dem Rand des Trägers oder auch direkt mit der Membran verbunden sein, um diese in Schwingung zu versetzen. Die Schwingungsrichtung des elektromechanischen Wandlers ist vorzugsweise senkrecht zur Membran gerichtet. Die Membran führt somit eine Transversalschwingung aus. Die Schwingungsrichtung des Wandlers kann aber auch schräg zu der Membrane gerichtet sein. Weiter ist es möglich, die Schwingungsrichtung des Wandlers so festzulegen, dass sie in der Membranebene liegt. Auch kann vorgesehen werden, den Wandler variabel auszubilden oder anzuordnen, so dass die Schwingungsrichtung desselben in Bezug zu der Membrane veränderbar ist.
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Der elektromechanische Wandler kann ein Piezowandler, ein elektromagnetischer Wandler, ein elektrodynamischer Wandler, beispielsweise eine in einem Magnetfeld angeordnete Schwingspule oder auch ein in der Membran vorgesehener elektrischer Leiter sein, der mit einem die Membran durchsetzenden Magnetfeld wechselwirkt.
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Die der Träger ist vorzugsweise aus einem biegeschlaffen Textilmaterial ausgebildet. Es kann beispielsweise ein Gewebe, ein Gestrick, ein Gewirk, eine Wirrfaseranordnung oder eine Kombination aus zwei oder mehreren dieser Strukturen sein. Das Textilmaterial kann dabei über seine gesamte Fläche einheitlich oder auch lokal unterschiedlich ausgebildet sein. Das Textilmaterial ist vorzugsweise luftdurchlässig ausgebildet und weist z.B. eine Vielzahl von Poren auf.
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Vorzugsweise ist die Membran an ihrem Rand so eingespannt, dass sie unter einer Grundspannung steht. Dies ist aber nicht zwingend. Es ist auch möglich, die Membran des Biegewellenwandlers nur an einer oder wenigen Stellen am Rand oder auch an einer randnahen Stelle zu fassen. Das eine oder die mehreren an der Membran befestigten Elemente können lokale Körper, wie Scheiben, Ringe, Stickereien oder anderweitige kompakte Körper sein. Solche Elemente können mittels Klebeverbindung, durch Sticken oder auch durch Nähen mit der Membran verbunden oder in eine Tasche derselben eingelegt sein. Das Element kann jedoch auch stab- oder streifenförmig und dabei gerade oder auch gebogen, verzweigt oder unverzweigt ausgebildet sein. Das Element kann dabei, wie es bevorzugt wird, biegesteif oder biegeelastisch ausgebildet sein. Der elektromechanische Wandler kann in direktem Kontakt mit dem Element oder in einem Abstand zu diesem angeordnet sein.
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Weiter ist es möglich, einen Aktor vorzusehen, der der Membran zugeordnet ist, um verformend auf diese einzuwirken. Der Aktor kann beispielsweise ein elektromechanischer Stellantrieb sein, der mit der Membran verbunden oder verbindbar ist. Z.B. kann der Aktor ein bewegliches Glied aufweisen, das auf die Membrane aufsetzbar oder mit dieser verbunden ist, um diese aus einer Grundform, in der sie frei gespannt ist, in eine andere Form zu überführen. Z.B. kann die Membrane aus einer ebenen Grundform in eine Trichterform überführt werden.
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Der Aktor kann dazu eingerichtet sein die Membrane lokal zu verformen, um in der Membrane wirkende Zugspannung in der Membran insgesamt oder in Bereichen derselben zu beeinflussen. Die Membran kann Bereiche unterschiedlicher Zugspannungen aufweisen. Die Bereiche können eine variable Größe und/oder eine variable Form aufweisen. Durch lokale Variation der in der Membrane wirksamen Zugspannung in verschiedenen Bereichen derselben sowie durch Variation von Größe und/oder Form solcher Bereiche lässt sich die Schallabstrahlungscharakteristik der Membrane gezielt beeinflussen. Eine lokal oder global erhöhte Spannung erzeugt lokal oder global eine höhere Schallfortpflanzungsgeschwindigkeit in der Membrane. Durch lokale Spannungserhöhung kann ein Audiosignal lokal schneller geleitet werden und im Vergleich zu den weniger gespannten Bereichen früher wiedergegeben werden. Hierdurch kann die Abstrahlcharakteristik verändert werden.
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Alternativ kann der Aktor mit der Halteeinrichtung verbunden sein. Der Biegewellenwandler kann mehrere solcher mit der Halteeinrichtung verbundenen Aktoren aufweisen. Zusätzlich können ein oder mehrere Aktoren mit der Membran direkt oder mit den elektromechanischen Wandlern verbunden sein.
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Weiter alternativ kann der Aktor mit dem elektromechanischen Wandler verbunden oder Teil desselben sein. Der Biegewellenwandler kann mehrere mit den elektromechanischen Wandlern verbundenen Aktoren aufweisen. Zusätzlich können ein oder mehrere Aktoren mit der Membran direkt oder mit den elektromechanischen Wandlern verbunden sein.
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Es ist auch möglich, den Aktor oder die Aktoren so auszubilden, dass sie zugleich als elektromechanische Wandler nutzbar sind. Diese Aktoren sind dann darauf eingerichtet, einerseits die gewünschte Stellbewegung auszuführen und andererseits eine elektrische Schwingung in eine mechanische Schwingung zu wandeln und in die Membran einzuleiten.
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Weitere Einzelheiten vorteilhafter Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus der Zeichnung, der Beschreibung oder Ansprüchen. Es zeigen:
- 1 einen Biegewellenwandler mit textiler Membran, einem elektromechanischen Wandler und zusätzlichen Elementen, in schematischer Perspektivdarstellung,
- 2 die Membran des Biegewellenwandlers nach 1, in Schnittdarstellung,
- 3 eine abgewandelte Ausführungsform des Biegewellenwandlers, in ausschnittsweiser schematisierter Perspektivdarstellung,
- 4 bis 7 weitere beispielhafte Ausführungsformen des Biegewellenwandlers.
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1 veranschaulicht einen Biegewellenwandler 10 mit einer textilen Membran 11, deren Rand 12 in einer in 1 beispielhaft rechteckig dargestellten Halteeinrichtung 13 gefasst ist. Die Membran 11 kann, wie dargestellt, rechteckig sein oder jede andere geeignete Form aufweisen zum Beispiel trapezförmig, dreieckig, polygonal umgrenzt, kreisrund, oval, elliptisch oder auch unregelmäßig berandet sein. In einer ersten Ausführungsform ist die Membrane 11 eben ausgebildet. Sie kann aber auch eine räumliche Form aufweisen, z.B. sattelförmig, an zwei gegenüberliegenden Rändern einem Bogen oder einer Schraubenlinie folgend (Doppelhelix) oder anderweitig geformt sein.
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Vorzugsweise hält die Halteeinrichtung 13 die Membran 11 unter einer Zugspannung. Die Membrane kann unter einer einheitlichen Zugspannung stehen oder Bereiche unterschiedlicher Spannung aufweisen.
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Die Membran 11 weist vorzugsweise einen Träger 14 auf, der aus einem textilen Material besteht. Beispielsweise kann der Träger 11 ein Gestrick, ein Gewebe, ein Gewirk, ein Wirrfaservlies oder ein ähnliches textiles Material sein, das ein einheitliches Flächengewicht aufweist. Auch kann das Material im Wesentlichen biegeschlaff sein. Der Träger 14 kann insbesondere aus Kunstfasern, Naturfasern, einem Gemisch aus Kunst- und Naturfasern sowie elastischen oder nicht elastischen Fasern bestehen. Es ist auch möglich, ein Gewebe, Gestrick, Gewirk oder ähnliches Material vorzusehen, dessen elastische Rückstellkraft durch Einarbeitung elastischer Fäden, beispielsweise Elastan oder Gummifäden erhöht ist.
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An dem Träger 14 sind ein oder mehrere zusätzliche Elemente 15, 16 angeordnet, um die akustischen Eigenschaften der Membran 11 lokal gezielt zu beeinflussen. Die Elemente 15, 16 können durch ihr Gewicht lokal zur Erhöhung des Flächengewichts der Membran 11 an den Stellen beitragen, an denen die Elemente 15, 16 platziert sind. Sie können durch jede geeignete Verbindungstechnik mit dem Träger 14 verbunden sein, beispielsweise durch Klebestellen 17 wie es 2 für das Element 15 andeutet. Sie können auch in Taschen des Trägers 14 eingelegt oder mit diesem vernäht sein.
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Die Membran 11 ist außerdem indirekt oder, wie es 1 und 2 nahelegen, direkt mit einem elektromechanischen Wandler 18 verbunden, der dazu eingerichtet ist, eine elektrische Spannung oder einen elektrischen Strom, d.h. letztendlich eine elektrische Schwingung in eine mechanische Schwingung zu verwandeln und diese auf den Träger 14 zu übertragen. Der elektromechanische Wandler kann ein elektrodynamischer Wandler, ein Piezowandler, ein elektromagnetischer Wandler oder dergleichen sein. Er kann auf einen ausgewählten Punkt der Fläche des Trägers 14 oder auch auf dessen Rand einwirken. Es ist auch möglich, einen oder mehrere solcher elektromechanischen Wandler 18 vorzusehen. Zusätzlich oder alternativ können ein oder mehrere solcher elektromechanischen Wandler 18 mit der Halteeinrichtung 13 verbunden sein, um diese lokal oder im Ganzen zum Schwingen anzuregen und diese Schwingung auf den Träger 14 zu übertragen.
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3 veranschaulicht eine abgewandelte Ausführungsform, bei der ein elastisches streifenförmiges 19 Element auf oder in dem Träger 14 angeordnet ist. Das Element 19 kann ein Metallstreifen, Kunststoffstreifen, ein Streifen aus Naturmaterial wie z.B. Holz oder auch ein Streifen aus nicht elastischem Material, wie beispielsweise Filz oder dergleichen sein. Wie in 3 angedeutet, kann das Element 19 beispielsweise mit dem Träger 14 vernäht oder auch in diesen eingebracht oder auf diesen aufgebracht und beispielsweise durch Kleben befestigt sein. Das Element 19 beeinflusst die Ausbildung von Biegeschwingungen auf der Membran 11.
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Wie 4 veranschaulicht, können anstelle eines einzigen elektromechanischen Wandlers 18 auch zwei (oder mehrere) lediglich durch ihre Schalleinleitungspunkte veranschaulichte elektromechanische Wandler 18a, 18b vorgesehen sein, die mit dem Träger 14 verbunden sind. Dieser kann außerdem mit einem oder mehreren Elementen beispielsweise Elementen 15, 16 und/oder dem streifenförmigen Element 19 versehen sein. Der Träger 14 kann an seinem gesamten umlaufenden Rand 12 mit der Halteeinrichtung 13 verbunden sein.
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Es sind aber auch Ausführungsformen des Biegewellenwandlers 10 ohne Randeinspannung möglich. 5 veranschaulicht eine textile Membran 11, deren Träger 14 nur an isolierten lokalen punkt- oder streifenförmigen Stellen gefasst und beispielsweise aufgehängt ist. Ein oder mehrere an dem textilen Träger 14 angebrachte elastische streifenförmige Elemente 19 können mit einem oder mehreren elektromechanischen Wandlern 18 in Verbindung stehen, um Schallwellen in Form von Biegewellen entlang des Trägers 14 zu leiten.
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Eine weitere Gestaltungsmöglichkeit ist prinzipiell in 6 veranschaulicht. Der Träger 14 der Membran 11 ist dort zur Erleichterung des Verständnisses durchsichtig dargestellt. Der Träger 14 ist an seinem Rand 12 in einer Halteeinrichtung 13 gehalten und mittels eines Aktors 20 aus seiner ebenen Lage heraus in eine verformte beispielsweise trichterförmige Gestalt gewölbt. Der Aktor 20 ist dazu mit dem Träger 14 direkt oder indirekt verbunden. Beispielsweise kann der Aktor 20 den elektromechanischen Wandler 18 tragen, der seinerseits mit dem Träger 14 verbunden ist. Der Aktor kann so ausgebildet sein, dass er die Membrane 14 in verschiedene Formen verstellen kann, z.B. in eine ebene und eine gewölbte Form oder in verschieden gewölbte Formen.
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Alternativ kann der Aktor 20 auch an anderen, von dem elektromechanischen Wandler 18 gesonderten Stellen mit dem Träger 14 verbunden sein. Es können mehrere elektromechanische Wandler 18 und/oder mehrere Aktoren 20 vorgesehen sein. Außerdem können wiederum weitere Elemente, beispielsweise streifenförmige Elemente 19 mit dem Träger 14 verbunden sein. Auch können lokale Elemente 15, 16 mit dem Träger 14 verbunden sein. Streifenförmige Elemente 19 können grundsätzlich gerade oder gebogen oder, wie es in 6 weiter anhand eines Elements 21 veranschaulicht ist, verzweigt ausgebildet sein.
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Der (oder die) Aktor(en) 20 kann (können) dazu genutzt werden, die Spannung innerhalb der Membrane 11 lokal zu beeinflussen, insbesondere zu erhöhen oder auch zu vermindern. Es können in der Membrane ein oder mehrere Bereiche mit veränderter Spannung ausgebildet werden. Der (oder die) Aktor(en) 20 können die Form von Bereichen mit veränderter Spannung und/oder die Höhe der Spannung in diesen Bereichen beeinflussen. Der Übergang der Spannung von einem veränderten Wert innerhalb eines solchen Bereiches auf den Wert außerhalb eines solchen Bereiches kann stufenförmig oder als allmählicher Übergang ausgebildet sein. Der von einem Aktor 20 beeinflusste Bereich kann somit mehr oder weniger scharf abgegrenzt sein.
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Zur Beeinflussung der Schallabgabe sind weitere Maßnahmen möglich, beispielsweise können ringförmige Elemente 22 mit dem Träger 14 verbunden sein wie es 7 veranschaulicht. Das Element 22 ist dort mit dem Träger 14 durch Sticken verbunden und umgibt eine in dem Träger 14 angeordnete Öffnung 23.
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Es ist auch möglich, einen oder mehrere Aktoren 20 vorzusehen, die mit der Membrane 11 an variablen Stellen in Berührung bringbar sind. Z.B. können ein oder mehrere Aktoren 20 entlang der Membrane 11 an verschiedene Stellen angeordnet oder in verschiedene Positionen verfahren werden. Sie können dann die Membrane an verstellbaren Stellen kontaktieren und auch verformen, um die Schwingungsausbreitung zu beeinflussen.
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Die vorige Beschreibung zeigt, dass zur Beeinflussung der Schallwiedergabe eines Biegewellenwandlers 10 mit biegeschlaffer Membran 11 zusätzliche Elemente 15, 16, 19, 21, 22 angebracht werden können, um die Schallwiedergabe gezielt zu beeinflussen. Die Membran 14 kann randseitig fest oder variabel eingespannt sein. Es sind auch Ausführungsformen mit nicht eingespanntem Rand möglich. Außerdem kann die Membran 14 lokal mit einem oder mehreren Aktoren verbunden sein, um die Form der Membran 14 und/oder deren Vorspannung während des Betriebs zu verändern und somit die Schallwiedergabe zu beeinflussen. Mit diesem Konzept ergeben sich vielseitige Gestaltungsmöglichkeiten über das bisher bekannte Maß hinaus.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Biegewellenwandler
- 11
- Membrane
- 12
- Rand der Membrane 11
- 13
- Halteeinrichtung
- 14
- Träger
- 15, 16
- Elemente
- 17
- Klebestelle
- 18
- elektro-mechanischer Wandler
- 19
- Streifen
- 20
- Aktor
- 21, 22
- Element
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 20006420 U1 [0002]
- DE 20104842 U1 [0003]
- DE 202013105545 [0004]
- DE 102006049030 B3 [0005]
- EP 2193666 B1 [0006]
- DE 102011011115 A1 [0006]
