DE10246792B4

DE10246792B4 - Akustische Vorrichtung

Info

Publication number: DE10246792B4
Application number: DE2002146792
Authority: DE
Inventors: Oliver Goebel
Original assignee: Gobel Oliver
Current assignee: Goebel Oliver De
Priority date: 2002-10-08
Filing date: 2002-10-08
Publication date: 2005-11-10
Anticipated expiration: 2022-10-09
Also published as: DE10246792A1

Abstract

Akustische Vorrichtung, bei der die Schallabstrahlung nach dem Biegewellenprinzip erfolgt und die ein Paneel (I) mit einem Kern (1) aus Leichtholz, dessen mittlere Rohdichte kleiner als 400 kg/m³ ist, aufweist, auf den eine elastische Beschichtung (3a, 3b) aufgebracht ist.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine akustische Vorrichtung, genauer gesagt auf elektroakustische Wandler, insbesondere auf Biegewellenwandler.
In festen Medien bzw. Stoffen breiten sich Wellen auf verschiedene Arten aus. In dickeren Medien herrschen Dehn- und Dichtewellen vor. An Grenzflächen zu anderen Stoffen, vorzugsweise Fluiden, entstehen Oberflächenwellen. In dünneren Medien, nachfolgend Paneele genannt, entstehen zusätzlich Schubwellen und/oder Biegewellen. Von allen Wellentypen eignen sich im wesentlichen nur Biegewellen und Schubwellen zur Nutzung bei elektroakustischen Wandlern, da sich diese mit ausreichend hohen Amplituden auf Paneelen ausbreiten.
Elektroakustische Wandler auf der Basis von Biegewellen ermöglichen eine breitbandige Schallabstrahlung. Das Ausbreitungsverhalten der Biegewelle wird dabei u.a. durch die Biegesteifigkeit und die Massenbelegung des Paneels bestimmt und ist frequenzabhängig. Dabei erhöht sich die Phasengeschwindigkeit in dem Paneel bei steigender Frequenz, was als "Dispersion der Biegewelle" bezeichnet wird.
Die Frequenz, bei der die Phasengeschwindigkeit einer Welle auf einem Paneel mit der Phasengeschwindigkeit in Luft identisch ist, wird Koinzidenzfrequenz genannt. Bei der Koinzidenzfrequenz beginnt sich die Welle unter einem Winkel von ungefähr 0° vom Paneel abzulösen. Anders ausgedrückt läuft ab der Koinzidenzfrequenz die Welle parallel zum Paneel, wodurch ein sprunghafter Anstieg des Wirkungsgrades auftritt.
Erhöht sich die Phasengeschwindigkeit im Paneel bezüglich der Phasengeschwindigkeit in Luft, so erhöht sich der Ablösewinkel der Welle vom Paneel von 0° bis zu einem Wert von kleiner 90°. Die Koinzidenzfrequenz ist die eigentliche untere Grenzfrequenz eines Biegewellenwandlers. Unterhalb der Koinzidenzfrequenz arbeitet der elektroakustische Wandler nach dem Stand der Technik als Kolbenstrahler.

Das Dokument EP 1227700 A1 bezieht sich auf eine elektroakustische Vorrichtung, bei der herkömmliche Decken- oder Wandpaneele aus beispielsweise Mineralfaser, Gipskartonplatten oder Laminat sowie mehrschichtigem Holz zur Schallabstrahlung verwendet werden.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine akustische Vorrichtung vorzusehen, die eine niedrige Koinzidenzfrequenz hat, bei der nach der Anregung durch ein weißes Rauschen alle Frequenzen in Biegewellen aufbrechen, d.h. Eigenmodi besitzen, die nach der Erregung schnell abklingen, die in Druck- und Zugrichtung eines auf dieser befindlichen Exciters möglichst steif ist, die in Richtung der sich ausbreitenden Biegewellen dämpfende Eigenschaften besitzt, die eine geringe Masse hat und die in hohem Maße witterungs- und alterungsbeständig ist. Das Ziel der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist eine möglichst genaue akustische Widerspiegelung eines der Vorrichtung zugeleiteten, bevorzugt elektrischen, Signals.

Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung nach Anspruch 1 gelöst.

Erfindungsgemäß weist die akustische Vorrichtung ein Paneel mit einem Kern aus einem Leichtholz auf, auf dem sich eine Beschichtung mit einem hohen Elastizitätsmodul (E-Modul) befindet, d.h. ein Textilmaterial, vorzugsweise ein Gewebe, stärker bevorzugt umgeben von einem Harz. Auf diese Weise wird eine niedrige Koinzidenzfrequenz, ein hoher Wirkungsgrad und eine gleichmäßige Wiedergabe über einen großen Frequenzbereich ermöglicht.

Durch eine mittlere Rohdichte des Leichtholzes von 400 kg/m³, vorzugsweise von 260 kg/m³ und stärker bevorzugt durch die Verwendung von Balsaholz kann der Wirkungsgrad und eine vorteilhafte Frequenzabstrahlung weiter verbessert werden. Dabei wird insbesondere die Drucksteifigkeit in Dickenrichtung des Leichtholzes ausgenutzt. Weitere Faktoren für eine vorteilhafte Verwendung von Leichtholze, insbesondere Balsaholz, als Biegewellenwandler sind das E-Modul des Paneels mit Beschichtung, seine Dicke, seine Dichte und sein Gewicht.

Durch eine solche Anordnung kann ein hohes Elastizitätsmodul des Paneels, ein niedriges spezifisches Gewicht und eine geringe Membrandicke bei gleichzeitiger innerer Dämpfung erhalten werden.

Die Verwendung von Stirnbalsaholz ermöglicht, daß der Schallwandler aufgrund der inneren Dämpfung auch unterhalb der Koinzidenzfrequenz zumindest teilweise noch als Biegewellenwandler arbeitet. Dieses ist auf das kontrollierte Abklingen der Biegewellen zurückzuführen.

Durch eine Imprägnierung des Kerns mit Porenfüller vor der Beschichtung mit dem Textilmaterial und dem Harz werden ein Aufsaugen des Harzes und Haftungsprobleme vermieden.

Die Faserrichtung von 45° des Textilmaterials zur Längsausdehnung des vorzugsweise rechteckigen Paneels beugt stehenden Wellen in dem Paneel vor.

Durch ein rechteckig ausgebildetes Paneel mit einem Abmessungsverhältnis von 1:1,2 bis 1:3 wird die Eigenmodendichte des Paneels positiv beeinflußt.

Durch eine Längsabmessung des schallabstrahlenden Bereichs im Bereich von 25 bis 26 cm und eine Querabmessung von diesem im Bereich von 18 bis 19 cm erfolgt eine besonders vorteilhafte Nutzung der dämpfenden Eigenschaften des Paneels bei gleichzeitig handhabarem Abmessungsverhältnis des Paneels.

Durch eine Anordnung des einen Exciter im Bereich 41 bis 43 % der Querabmessung und 57 bis 59 % der Längsabmessung und des zweiten Exciter im Bereich von 63,5 bis 65,5 % der Querabmessung und 38,5 bis 40,5 % der Längsabmessung erfolgt eine besonders gleichmäßige Anregung der Eigenresonanzen über den gesamten Frequenzbereich des Paneels.

Durch Auslöschkörper unter den Excitern, wobei das Massenverhältnis von Auslöschkörper und durch diesen abgedecktem Bereich vom Paneel im Bereich von 1:2 bis 1:5 liegt, erfolgt eine Auslöschung störender Biegewellen unter dem Exciter.

Bei einem weiteren Gegenstand der Erfindung wird an einer Seite eines Paneels, das nicht das vorstehend beschriebene Paneel zu sein braucht, ein konzentrischer Durchbruch in einem Abdeckmaterial, vorzugsweise aus einer mitteldichter Faserplatte, vorgesehen. Auf diese Weise wird ein Kammfilter erzeugt, der dem Kammfilter durch Einrichtungen auf dem Paneel, beispielsweise Exciter und Gewichte, in Form einer Akustiklinse entgegenwirkt.

Ein Abstand des Rahmens im Bereich von 0,2 cm bis 10 cm, vorzugsweise 1 bis 4 cm zum Paneel bewirkt vorteilhafte Eigenschaften beim Kammfilter.

Wenn auf der dem Paneel abgewandten Seite des Rahmens ein faseriges oder offenporiges Dämmaterial mit einer Schallabsorption vorzugsweise ab 1 kHz eingesetzt wird, werden Frequenzwelligkeiten, die durch das Paneel erzeugt werden, in stärkerem Maße ausgeglichen.

Durch die Einspannung des vorzugsweise erfindungsgemäßen Paneels über ein schwingungsdämpfendes Material, wie z.B. geschlossenzelligen Kunstkautschuk, in einen Rahmen, vorzugsweise einen Aluminiumrahmen, wird ein schnelles Abklingen der Eigenresonanz des Rahmens abgesichert. Bereits dadurch, daß das schwingungsdämpfende Material mit dem Rahmen in Berührung steht, kann das Abklingen verbessert werden. Durch den Kunstkautschuk wird ermöglicht, daß weniger als 30 dB des Ursprungssignals des Paneels auf den Rahmen übergehen. Der Tieftonbereich wird durch den Rahmen verstärkt.

Das Abklingen der Signale wird durch das Füllen des Rahmens mit einer Körperschalldämpfungsmasse unterstützt.

Durch ein gleichzeitiges Vorsehen einer hinteren Abdeckung, vorzuagsweise eines MDF-Rahmen mit konzentrischen Durchbrüchen, und des Rahmens, vorzugsweise des Aluminiumrahmens mit der beschriebenen Einfassung wird sowohl das Verhalten im Tieftonbereich als auch das im Hochtonbereich verbessert.

Die Schallabstrahlung bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung erfolgt bevorzugt nach dem Multiresonanzprinzip, so daß ein Schwerpunkt der Erfindung im Einsatz bei Biegewellenwandlern liegt.

Mit der vorliegenden Erfindung wurde eine Sandwichplatte mit mehreren sich gegenseitig positiv beeinflussenden Materialien erhalten. Dabei wurde durch die Festlegung der Ausrichtung der Gewebelagen für die Biegewellen eine Richtungsgebung vorgenommen. Es wurden mehrere Eigenmoden angeregt und Kantenreflexionen in starkem Maße verringert. Durch den Einsatz geeigneter Außenabmessungen und von alterungsbeständigen Materialien konnte die erfindungsgemäße Vorrichtung weiter optimiert werden.

Erfindungsgemäße Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben, in der
1 einen Querschnitt durch das erfindungsgemäße Paneel zeigt,
2 die Gewebelage auf einem erfindungsgemäßen Paneel zeigt,
3 eine Seitenansicht auf den auf dem Paneel vorgesehenen Exciter zeigt,
4 die Aufbringpunkte der Exciter auf dem Paneel zeigt,
5 einen Querschnitt durch den Rahmen und die Befestigung des Paneels an diesem zeigt,
6 eine erste Ausführung für die Abdeckung des Paneels von hinten zeigt,
7 eine zweite Ausführung für die Abdeckung des Paneels von hinten unter Verwendung eines Dämmaterials zeigt,
die 8a bis d Varianten für die Abdeckung des Paneels von hinten zeigen,
9 den Amplitudenfrequenzgang für einen elektoakustischen Wandler nach dem Stand der Technik bezüglich der Schallabstrahlung nach vorn zeigt,
10a den Amplitudenfrequenzgang für den erfindungsgemäßen elektoakustischen Wandler bezüglich der Schallabstrahlung nach vorn mit Abdeckung und Dämmaterial von hinten zeigt,
10b den Amplitudenfrequenzgang für den erfindungsgemäßen elektoakustischen Wandler bezüglich der Schallabstrahlung nach hinten ohne Abdeckung und Dämmaterial von hinten zeigt,
10c den Amplitudenfrequenzgang für den erfindungsgemäßen elektoakustischen Wandler bezüglich der Schallabstrahlung nach hinten mit Abdeckung und Dämmaterial von hinten zeigt,
11 den Impedanzfrequenzgang für einen elektroakustischen Wandler nach dem Stand der Technik zeigt,
12 den Impedanzfrequenzgang für den erfindungsgemäßen elektoakustischen Wandler zeigt,
13 ein Wasserfalldiagramm für einen elektroakustischen Wandler nach dem Stand der Technik zeigt, und
14 ein Wasserfalldiagramm für den erfindungsgemäßen elektroakustischen Wandler nach dem Stand der Technik zeigt.
1 zeigt den Querschnitt eine erfindungsgemäße akustische Vorrichtung mit einem Paneel, das einen Kern 1 aus einem Holz mit hohem Ligningehalt, vorzugsweise Leichtholz hat.
Bei einem hohen Ligningehalt des Holzes liegt eine hohe Druckfestigkeit vor, die für die vorliegende Erfindung von Vorteil ist. Der Ligningehalt hängt von der Umgebungswärme des Baumes in seinem Wachstumsprozeß ab, so daß tropische Hölzer einen höheren Ligningehalt (30-41%) als europäische Hölzer (18-25%) besitzen. Die akustische Vorrichtung arbeitet bevorzugt als Multiresonanzplatte.
Auf diesen Kern 1 ist ein Porenfüller 2a, 2b aufgebracht, auf dem sich eine Beschichtung 3a, 3b aus Harz und einem Textilmaterial, die nachfolgend als Deckschicht bezeichnet wird, befindet. Der Porenfüller 2a, 2b und die Beschichtung 3a, 3b ist jeweils an den entgegengesetzten Seiten des Kerns aufgebracht. Alternativ dazu kann die Beschichtung 3a, 3b direkt auf den Kern 1 aufgebracht sein oder kann eine Beschichtung 3a lediglich auf einer Seite des Kerns 1 vorgesehen sein, wobei sich zwischen dieser einen Beschichtung 3a und dem Kern 1 ein Porenfüller 2a befinden kann.
Die erfindungsgemäße akustische Vorrichtung verwendet bevorzugt Leichtholz, da mit geringerer mittlerer Rohdichte der Wirkungsgrad eines Biegewellenwandlers steigt. Dabei ist zu beachten, daß die Rohdichte innerhalb eines Stammes durch den inhomogenen Aufbau des Holzes erheblich schwanken kann. Der Erfinder hat herausgefunden, daß gerade durch diese Inhomogenität einzelnen Resonanzen bei Multiresonanzpaneelen entgegengewirkt werden kann.
In diesem Zusammenhang wird auf die 9 und 10a verwiesen. 9 zeigt den Amplitudenfrequenzgang eines Biegewellenwandlers nach dem Stand der Technik in einem Bereich von ungefähr 250 Hz bis 20 kHz, genauer gesagt den Wandler Imago 80×60 cm von vorn von Elac, bei dem Rohacell (Polymethacrylimid) als Kern zum Einsatz gelangt. 10a zeigt den Amplitudenfrequenzgang der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit Abdeckung, wie sie nachfolgend als bevorzugte Ausführung beschrieben wird, bei der Messung von vorn im Bereich von ungefähr 350 Hz bis 20 kHz. Beim Vergleich dieser Amplitudenfrequenzgänge wird deutlich, daß bei der vorliegenden Erfindung in starkem Maße auch durch den Einsatz von Leichtholz bedingt, die Welligkeit und der Abstand der Extremwerte wesentlich verringert werden konnten.
Die mittlere Rohdichte wird bei 12%-15% Holzfeuchte bestimmt und ist bei Leichtholz kleiner, gleich 550 kg/m³. Zu den Leichthölzern, die bei der vorliegenden Erfindung zum Einsatz kommen können, zählen unter anderem Mahagoni mit einer mittleren Rohdichten von 490 kg/m³, Fichte mit einer mittleren Rohdichte von 470 kg/m³, Tanne mit einer mittleren Rohdichte von 450 kg/m³, Pappel mit einer mittleren Rohdichte von 450 kg/m³, Weide mit einer mittleren Rohdichte von 450 kg/m³, Reedwood mit einer mittleren Rohdichte von 420 kg/m³, Weymouths-Kiefer mit einer mittleren Rohdichte von 400 kg/m³, Red Cedar Western mit einer mittleren Rohdichte von 370 kg/m³, Abachi-Holz mit einer mittleren Rohdichte von 370 kg/m³, Metasequoia-Holz (Chinesischer Mammutbaum) mit einer mittleren Rohdichte von 330 kg/m³ und Balsaholz mit einer mittleren Rohdichte von 70 kg/m³ 260 kg/m³.
Bei mittleren Rohdichten bis 400 kg/m³ wurden noch gute Ergebnisse erzielt, in einem Bereich von 100 bis 200 kg/m³ gute Ergebnisse.
Das beste Ergebnis wurde mit Balsaholz 150 kg/m³ als Kernmaterial erzielt. Durch die Verwendung von Stirn-, bzw. Hirnbalsaholz konnte die Druck- und Zugfestigkeit in Anregungsrichtung von auf das Paneel aufgebrachten Excitern, die unten erläutert werden, noch wesentlich erhöht werden.
Insbesondere mit dem vorstehenden genannten Stirnbalsaholz konnten folgende weitere Vorteile erzielt werden:

a) Leichter Kern und damit ein hoher Wirkungsgrad des Biegewellenwandlers
b) Durch die sehr hohe Druck- und Zugfestigkeit in Anregungsrichtung der Exciter/des Exciters werden selbst kleinste Energien im Hochtonbereich nicht vom Kernmaterial geschluckt.
c) Durch die Inhomogenität des Leichtholzes wird ausgeprägten Resonanzen entgegengewirkt.
d) Durch die dämpfenden Eigenschaften in Ausbreitungsrichtung der Biegewelle werden die positiven und negativen Amplituden der Biegewelle vom Anregungsort in Richtung des Randes vom erfindungsgemäßen Paneel immer kleiner. Somit erfolgt ein zügigeres Abklingen des Paneels, es werden ausgeprägte Resonanzen verringert und ein Biegewellenwandler mit dem erfindungsgemäßen Paneel arbeitet auch unterhalb der Koinzidenzfrequenz noch zu einen gewissen Teil als Biegewellenwandler. Die Ursache dafür, daß das Paneel auch unterhalb der Koinzidenzfrequenz noch zu einen gewissen Teil als Biegewellenwandler arbeitet, wird darin gesehen, daß die negativen und positiven Amplituden vom Anregungsort in Richtung Rand immer kleiner werden und somit unterhalb der Koinzidenz frequenz keine komplette Auslöschung (akustischer Kurzschluß) der Amplituden auftritt.

In diesem Zusammenhang wird auf die Amplitude beim Impedanzfrequenzgang nach dem Stand der Technik von ELAC nach 11 und die Amplitude beim Impedanzfrequenzgang entsprechend der vorliegenden Erfindung nach 12 verwiesen. wie aus diesen Fig. ersichtlich ist, sind bei der Amplitude nach dem Stand der Technik die Resonanzen, die sich in Extremwerten mit hohem Anstieg in der Umgebung äußern, z.B. bei 350 Hz in 11, sehr ausgeprägt. Die Amplitude hat in 12 einen relativ homogenen Verlauf.
Das Wasserfalldiagramm (von vorn gemessen) verbessert sich gegenüber dem Stand der Technik von ELAC (13) bezüglich eines schnellen Abklingens insbesondere bei höheren Frequenz bei der vorliegenden Erfindung wie in 14 gezeigt.
Die verwendete Stärke des Stirnbalsaholz richtet sich unter anderem nach der Größe des Paneels, nach den Eigenschaften einer aufgebrachten Deckschicht, nach der Stärke und Art des Exciters zum Anregen der akustischen Vorrichtung und nach dem bevorzugten Frequenzbereich bei der Wiedergabe. Bei den weiter unten genannten Rohpaneelabmessungen ist eine bevorzugte Stärke des Stirnbalsaholzes 1,5 mm.
Durch eine Imprägnierung des erfindungsgemäßen Kerns mit vorzugsweise einem Porenfüller bewirkt, daß Haftungsprobleme von Deckschichten aufgrund der porösen Oberfläche des Kerns verhindert werden und daß das Aufsaugen von Deckschichten verbunden mit einem Verlust der dämpfenden Eigenschaften in Laufrichtung der Biegewelle und eine Erhöhung des Gewichts weitestgehend vermieden wird.
Das Textilmaterial der Deckschicht weist unter anderem Textilverbundstoffe, bevorzugte Gewebe oder/und Vliese auf. Als Vliesmaterial können beispielsweise Glasmatten eingesetzt werden. Bei den Geweben gelangen bevorzugt GFK(Glasfaser)-Gewebe, AFK(Aramid)-Gewebe, Diolen(Polyester)-Gewebe, Dyneema(Polyethylen)-Gewebe, Carbon-Aramid-Misch-Gewebe, Carbon-Glas-Misch-Gewebe und/oder CFK(Carbon)-Gewebe zum Einsatz. Diese Geweben können beispielsweise mit einer der folgenden Webarten verarbeitet sein: Leinwand, Körper, Atlas, Scheindrehen, multiaxial (mehrere Schichten Gewebe mit unterschiedlichen Winkellagen zueinander). Die Webrichtungen verwendeter Gelege kann unidirektional oder bidirektional sein. Das Gewicht und die Stärke des Textilmaterials hängt von den Eigenschaften der anderen Bestandteile der akustischen Vorrichtung ab.
Gute Ergebnisse wurden mit Glasfasergeweben, der Webart Leinen, bidirektional, d.h. in zwei Richtungen 90° versetzt, bei ungefähr 58 g/m² und bei einer Ausrichtung von ungefähr 45° bezüglich des rechteckigen Kernmaterials, wie es in 2 dargestellt ist, erzielt.
Das Textilmaterial befindet sich vorzugsweise in einem Harzsystem, um eine gute Verbindung zwischen dem Textilmaterial und dem Kernmaterial herzustellen und um eine gute Witterungs- und Alterungsbeständigkeit sicherzustellen. Mit Polyesterharzen kann eine sehr gute chemische und thermische Beständigkeit sichergestellt werden. Bei Verwendung von Vinylesterharzen konnten gute Ergebnisse erzielt werden. Die besten Ergebnisse wurden mit Epoxidharzen aufgrund der hohen Maßgenauigkeit bedingt durch den geringen Schwund festgestellt. Bei der bevorzugten Ausführungsform und den Rohabmessungen des Kernmaterials von bevorzugt 28,6 cm × 21,6 cm wurden bei einer Auftragdicke von 7 bis 20 g pro Seite gute Ergebnisse und bei ungefähr 9,5 g pro Seite die besten Ergebnisse erzielt.
Alternativ zur Verwendung des Porenfüllers 2a, 2b kann das Harz angedickt werden. Mit Mikrozellulosemehl oder Glasmehl können zufriedenstellende Resultate erzielt werden. Calziumcarbonat oder Thixotropie-Mittel in Form eines Pulvers oder einer Paste liefert gute Ergebnisse.
Durch die Festlegung der Abmessung des Paneels wird die Eigenmodendichte der Platte beeinflußt, d.h. daß festgelegt wird, wie nahe die Eigenmoden zusammenliegen.
Zufriedenstellende Ergebnisse werden bei einem Verhältnis der Quer- zur Längsabmessung des schallabstrahlenden Bereiches eines rechteckigen Paneels von 1:1 bis 1:8 erzielt, gute Ergebnisse bei einem Verhältnis von 1:1,2 bis 1:3 und sehr gute Ergebnisse bei 1:1,378.
Gute Ergebnisse wurden bei einer Längsabmessung des schallabstrahlenden Bereichs im Bereich von 25 bis 26 cm und bei einer Querabmessung des schallabstrahlende Bereichs im Bereich von 18 bis 19 cm erhalten. Für den schallabstrahlenden Bereich des Paneels wurden sehr gute Ergebnisse bei Abmessungen von 18,5 cm × 25,5 cm erzielt. Die Rohpaneelabmessungen betragen vorzugsweise 28,6 × 21,6 cm, wodurch eine Masse des Kerns 1 inklusive Porenfüller 2a, 2b von ungefähr 15 g erreicht wird. Für derartige Abmessungen werden bevorzugt zwei Exciter mit den nachfolgend dargestellten Positionen mit ungefähr 58g Masse, 25 mmm Schwingspule und die bevorzugten Rahmen und Dämmaterialien verwendet.
Auf dem vorstehend beschriebenen Paneel, das in 3 mit "I" gekennzeichnet ist, ist zumindest ein Exciter 5 zur Schwingungsanregung angeordnet. Dieses Exciter ist so bemessen und wird in einer solchen Weise vorgesehen, daß eine gleichmäßige Anregung der Eigenresonanzen (Eigenmoden) über den gesamten Frequenzbereich des Paneels erfolgt. Dabei soll das Eigengewicht des Exciters zur Resonanzdämpfung verwendet werden.
Die Anzahl der Exciter hängt von der Größe des Multiresonanzpaneels, von den Abmessungen des Paneels, vom Kernmaterial des Paneels, von der Stärke des Paneels, von der Art und den Eigenschaften der Deckschichten des Paneels, von dem Gewicht des Paneels, vom Gewicht der/des Exciter und von dem Schwingspulendurchmesser der Exciter ab. Exciterpositionen sollten vorzugsweise nicht symmetrisch sein, da durch unsymmetrische Anordnung der Exciter mehreren Eigenmoden angeregt werden können.
Die beste Anregung des Paneels erfolgt bei der Verwendung von zwei Excitern 5', 5'', wie es in 4 in der Ansicht des Paneels von hinten gezeigt ist. Die Positionen dieser Exciter 5', 5'' sind in x- und y-Richtung bezüglich des Bezugspunktes "o" und bezüglich des schallabstrahlenden Bereiches des Paneels in 4 wiedergegeben. Der erste Exciter 5' ist auf dem Paneel von einer Ecke des schallabstrahlenden Bereichs vom Paneel in einem Abstand von 41 bis 43 %, vorzugsweise im Bereich von 41,5 bis 42,5 %, bezüglich der Querabmessung (x) des Paneels und von der genannten Ecke in einem Abstand von 57 bis 59 %, vorzugsweise im Bereich von 57,5 bis 58,5 %, bezüglich der Längsabmessung (y) angeordnet. Der zweite Exciter 5'' ist auf dem Paneel von der genannten Ecke in einem Abstand von 63,5 bis 65,5 % bezüglich der Querabmessung (x) des Paneels und von der genannten Ecke in einem Abstand von 38,5 bis 40,5 % bezüglich der Längsabmessung (y) angeordnet. Die bevorzugten Werte für den Exciter 5' liegen bei 41,89 % bezüglich der Querabmessung (x) und 58,04 % bezüglich der Längsabmessung (y) und für den Exciter 5'' bei 64,32 % für die Querabmessung (x) und 39,41 % bezüglich der Längsabmessung (y).
Vorzugsweise haben die Exciter 5', 5'' eine Schwingspule von 25 mm und ein Gewicht von ungefähr 58 g.
In 3 ist die Ausbreitungsrichtung der Biegewellen mit den Pfeilen A und B wiedergegeben. Die Richtung der Anregungskraft des Exciters ist mit Pfeil C wiedergegeben.
Um zeitgleich abgestrahlte gegenphasige Signale, insbesondere im Bereich oberhalb von 10 kHz, auszulöschen, wird ein Gewicht zur Auslöschung der störenden Biegewelle unter dem Exciter verwendet. Dieses Gewicht ist in 3 mit dem Bezugszeichen 6 wiedergegeben und wird nachfolgend als Puck, genauer Hochfrequenzpuck bezeichnet.
Um ein optimales Ergebnis zu erzielen muß ein bestimmtes Verhältnis der Puckmasse zur Paneelmasse in dem Bereich vom Paneel, der vom Puck abgedeckt ist, vorliegen.
Wenn das vorstehend genannte Verhältnis in einem Bereich von 1:1 bis 1:10 liegt, werden zufriedenstellende Ergebnisse erzielt; bei einem Bereich von 1:2 bis 1:5 werden gute Ergebnisse erzielt. Das beste Ergebnis wird bei einem Verhältnis von 1:3,5 erzielt. Anders ausgedrückt hat der Hochfrequenzpuck beim bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung eine Masse von einem Gramm.
Der Puckdurchmesser ist abhängig vom Schwingspulendurchmesser des Exciters und von der Laufzeit der Biegewelle, die von den Materialeigenschaften des Paneels bestimmt werden. Beste Ergebnisse wurden bei dem bevor zugten Ausführungsbeispiel des Paneels mit den vorstehend genannten bevorzugten Excitern mit einem im wesentlichen zylinderförmigen Hochfrequenzpuck erzielt, der einen Durchmesser von 16 mm und somit unter Bezugnahme auf das Gewicht eine Höhe von 2 mm hat. Der Hochfrequenzpuck wird direkt mittig unter den Exciter auf das Paneel geklebt und ist vorzugsweise aus Gummi.
Um eine Feinabstimmung der erfindungsgemäßen akustischen Vorrichtung vorzunehmen, werden Gewichte von hinten auf das Paneel geklebt. Dabei haben sich im bevorzugten Ausführungsbeispiel 3 Gewichte von 16 mm Durchmesser und 2 g Masse sowie ein Gewicht von 21 mm Durchmesser und 16,6 g Masse als günstig erwiesen.
Obwohl vorstehend für das Paneel, die Exciter, den Puck und die Gewichte zur Feinabstimmung bestimmte Werte kumulativ als bevorzugtes Ausführungsbeispiel beschrieben wurden, führt bereits die Anpassung eines der Werte bei einer akustischen Vorrichtung zu einem hör- und meßbar besseren Ergebnis.
Nachfolgend werden der Rahmen und die Einspannung des vorstehend beschriebenen Paneels in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel beschrieben, wobei auf den Querschnitt in 5 Bezug genommen wird.
Entsprechend 5 ist am Außenumfang des Paneels I und benachbarten Bereichen an der Vor- und Rückseite des Paneels eine Schicht 7 aus vorzugsweise geschlossenzelligem Kunstkautschuk (APTK) vorgesehen, über dem sich vorzugsweise ein hohler Rahmen 9 mit im wesentlichen kastenförmigen Hohlprofil befindet, der einen Kautschuküberdeckungsabschnitt 9a zur Vorderseite des Paneels I hin aufweist. Der Rahmen 9 ist vorzugsweise ein Aluminiumrahmen, kann aber auch ein Holzrahmen, ein Metallrahmen oder ein Rahmen aus einem anderen Leichtmetall als Aluminium sein. Die Länge des Kautschuküberdeckungsabschnitts 9a ist vorzugsweise geringer als die Breite des Aluminiumrahmens benachbart zur Hinterseite des Paneels. Die Dicke der Schicht 7 beträgt vorzugsweise 2 mm. Zur Mitte der Rückseite des Paneels ist auf dem Paneel in Anlage mit der Kautschukschicht 7 und dem Aluminiumrahmen 9, d.h. auf der Rahmeninnenseite, ein Silikonauftrag mit im wesentlichen dreieckigen Querschnitt vorgesehen. Im Aluminiumrahmen 9 befindet sich eine Körperschalldämpfungsmasse 10, die vorzugsweise TEROPHON-112B von Henkel, NOISEX von DIETZ, NOISKILLER von Rockford Fosgate ist und in den Aluminiumrahmen 9 gegossen wird. Auf den Aluminiumrahmen 9 ist ein Abdeckrahmen 11, vorzugsweise eine mitteldichte Faserplatte, aufgebracht. Der Abdeckrahmen 11 kann aber auch aus einem Kunststoff oder einem Metall sein. Der geschlossenzellige Kunstkautschuk 7 und das Silikon 8 bilden im wesentlichen die Einfassung des Paneels I.
Durch den vorstehend beschriebenen Aufbau wird ein Rahmen mit nur geringer Eigenresonanz, die schnell abklingt bereitgestellt. Dieser ist verwindungssteif und besitzt eine gewisse Trägheit, wodurch eine Tieftonerweiterung stattfindet. Mit diesem Rahmen wird das Paneel ungleichmäßig eingefaßt, wenn die Paneelvorderseite mit der Paneelrückseite verglichen wird, so daß eine zu starke Kantenreflektion verhindert werden kann. Mit der Einspannung wird das Paneel mit dem Rahmen im wesentlichen über das gesamte Frequenzspektrum mit der gleichen Kraft gekoppelt, wobei die Einspannung witterungs- und alterungsbeständig ist.
Diese Ergebnisse sind dadurch bedingt, daß der Rahmen und die Einfassung aus mehreren sich positiv beeinflussenden Materialien bestehen.
Vorzugsweise weist der Rahmen ein bestimmtes Massenverhältnis zum Paneel einschließlich den Excitern und den Gewichten auf, um die Schallabstrahlung im tieffrequenten Bereich zu verbessern. Die Masse des Paneels einschlißelich der aufgebrachten Gewichte und des Exciters ist dabei die Bezugsgröße. Da die erfindungsgemäße akustische Vorrichtung unterhalb der Koinzidenzfrequenz zumindest teilweise als Kolbenstrahler arbeitet, ist eine gewisse Trägheit des Rahmens in Bezug auf das Paneel notwendig.
Das vorstehend genannte Massenverhältnis liegt im Bereich von 1:0,5 bis 1:unendlich, vorzugsweise bis 1:10, wobei die untere Grenze vorzugsweise 1:2 beträgt. Das beste Ergebnis wurde erzielt, wenn das Massenverhältnis 1:5 beträgt.
Zusammenfassend läßt sich aussagen, daß die Anhebung des Tieftonbereiches unterhalb des Koinzidenzfrequenz durch die Einspannung des Paneels in einen starren Rahmen mit den vorstehend beschriebenen Parametern erreicht werden kann.
Die Anwendung der vorstehend beschriebenen Gestaltungen von Rahmen und/oder Einfassung ist nicht auf das erfindungsgemäße Paneel beschränkt, sondern kann bei einer beliebigen akustischen Vorrichtung zum Erzielen der genannten Vorteile eingesetzt werden.
Nachfolgend wird eine besondere Ausgestaltung bei der hinteren Schallabstrahlung beschrieben. Dabei ist folgendes zu berücksichtigen:
Das Paneel strahlt sowohl nach vorn als auch nach hinten Schall ab. Da die Exciter auf dem Paneel von hinten fixiert sind, decken Sie einen gewissen Oberflä chenbereich ab, wodurch ein Kammfilter entsteht. Die Art des Kammfilters hängt vom Abstand der Exciter zum Paneel, von den Positionen der Exciter auf dem Paneel und von der Größe der abgedeckten Flächen ab. Im Ergebnis wird eine starke Frequenzwelligkeit ab ungefähr 3 kHz hervorgerufen. Es fallen dabei insbesondere schmalbandige, starke Frequenzüberhöhungen im Amplitudenfrequenzgang bei ungefähr 4 kHz und 10 kHz mit einer um ungefähr 10 dB höheren Amplitude auf.
Zur Abhilfe wird das Paneel von hinten mit einem bestimmten Abstand zum Paneel mit einem Material mit einer bestimmten Öffnungsgröße abgedeckt (Prinzip der Akustiklinse), wodurch wiederum ein Kammfilter erzeugt wird, der dem durch die Exciter und die Gewichte auf dem Paneel erzeugten Kammfilter entgegenwirkt.
6 zeigt eine Lochgitterplatte, vorzugsweise aus mitteldichten Fasermaterial, die Öffnungen mit einem bestimmten Durchmesser und mit vordefinierten Lochabständen aufweist und die in einem bestimmten Abstand zum Paneel vorgesehen ist.
Die 8a und 8b zeigen die Abdeckung des Paneels von hinten durch Rahmen mit konzentrischen rechteckigen Durchbrüchen mit vordefinierter Größe und mit einem bestimmten Abstand zum Paneel.
Für die vorstehend genannten bevorzugten Abmessungen des Paneels konnten zufriedenstellende Ergebnisse mit konzentrischen Durchbrüchen von 16,5 cm auf 9,5 cm bis 4 cm auf 1 cm erzielt werden, konnten gute Ergebnisse im Bereich von 22,5 cm auf 15,5 cm bis 16,5 cm auf 9,5 cm erreicht werden und konnten sehr gute Ergebnisse bei einem Verhältnis von 22,5 cm auf 15,5 cm erzielt werden. Der Abstand der Durchbrüche vom Paneel sollte dabei im Bereich von 0,2 bis 10 cm und vorzugsweise im Bereich von 1 bis 4 cm liegen. Am stärksten bevorzugt wird ein Abstand von 1,2 cm.
Die 8c und 8d zeigen kreisförmige Abdeckungen mit vordefinierten Durchmessern und in einem vorbestimmten Abstand zum Paneel von hinten über den Excitern.
Ferner werden Resonanzen durch ein Dämmaterial mit einer bestimmten Dicke und mit einem bestimmten Abstand zum Paneel gedämpft. Gute Ergebnisse wurde mit offenporigem Noppenschaum mit einer Dicke von 3 cm erzeigtl. Es können aber auch werden mehrere Dämmaterialien mit vorbestimmten Dicken und Abständen zum Paneel eingesetzt werden.
Gute Ergebnisse bei der Dämmung liefern alle faserigen oder offenporigen Dämmaterialien, die bereits ab 1 kHz, vorzugsweise ab 2,5 kHz einen hohen Schallabsorptionsgrad besitzen. Eine Kombination von mehreren Materialien zur Dämmung kann z.B. folgende Kombination sein: drei Lagen Putzwolle mit einer Stärke von je 1 mm und ein Lage BONDUM 800 mit einer Stärke von 20 mm.
Die Verwendung von Dämmaterial und die Erzeugung einer Akustiklinse werden vorzugsweise kombiniert. Diese Kombination ist beispielhaft von der Paneelrückseite aus betrachtet in 7 gezeigt. Dabei werden mit den vorstehend bemessenen konzentrischen Durchbrüchen mit dem beschriebenen Abstand zum Paneel bei einem Abstand des Dämmaterials im Bereich von 0,2 bis 10 cm zufriedenstellende Ergebnisse, im Bereich von 1 bis 4 cm gute Ergebnisse und bei 2 cm sehr gute Ergebnisse erhalten.
Die vorstehend beschriebene hintere Schallabstrahlung kann auf beliebige akustische Vorrichtungen auch ohne den vorstehend beschriebenen Rahmen, ohne die vorstehend beschriebene Einspannung, ohne das vorstehend beschriebene Paneel sowie nur mit einigen der vorstehend beschriebenen Eigenschaften angewendet werden.
Mit dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel konnten gegenüber dem in 9 gezeigten Amplitudenfrequenzgang von vorn nach dem genannten Stand der Technik von Elac bei der Erfindung bei vorhandener Abdeckung von vorn der in 10a gezeigten Amplitudenfrequenzgang und von hinten der in 10c gezeigte Amplitudenfrequenzgang erzielt werden. Dabei fällt auf, daß gegenüber der hinteren Schallabstrahlung ohne Rahmen und ohne Dämmaterial, wie es in 10b gezeigt ist, die Extremwerte bei 4k und 10k aus 10b durch die Abdeckung und das Dämmaterial in 10c wesentlich verringert werden können. Die verringerten Werte in 10c ab ungefähr 4kHz um teilweise mehr als 10 dB ist nach hinten gewünscht.
Bei der vorliegenden Erfindung können in bekannter Weise Frequenzweichen zum Einsatz gelangen, beispielsweise ein Hochpaß bei 160 Hz. Vorzugsweise werden die Frequenzen im Bereich der Koinzidenzfrequenz von 700 Hz bis 1 kHz um bis zu 10 dB gedämpft. Diese Maßnahmen dienen der Anpassung an das subjektive Schallempfinden.
Die vorliegende Erfindung sieht somit eine akustische Vorrichtung vor, die ein Paneel mit einem Kern aus Leichtholz aufweist, auf den eine Beschichtung aus Harz und einem Textilmaterial aufgebracht ist. Durch eine entsprechende Bemessung des Paneels, durch die Anordnung von Excitern an vorbestimmten Orten durch Verwendung von Hochfrequenzpucks mit einem bestimmten Größe- und Massenverhältnis durch Anbringen von Gewichten mit verschiedenen Größen und Massen zur Feinabstimmung, durch die Einspannung des Paneels in bestimmte Rahmen und durch das Vorsehen einer hinteren Abdeckung mit konzentrischen Durchbrüchen sowie das Aufbringen von Dämmaterial erfolgt ein gleichmäßiges Aufbrechen über einen breiten Frequenzbereich in Biegewellen und ein schnelles, gleichmäßiges, breitbandiges Abklingen der Biegewellen.

Claims

Akustische Vorrichtung, bei der die Schallabstrahlung nach dem Biegewellenprinzip erfolgt und die ein Paneel (I) mit einem Kern (1) aus Leichtholz, dessen mittlere Rohdichte kleiner als 400 kg/m³ ist, aufweist, auf den eine elastische Beschichtung (3a, 3b) aufgebracht ist.
Akustische Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die mittlere Rohdichte des Leichtholzes kleiner oder gleich 260 kg/m³ ist.
Akustische Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die elastische Beschichtung (3a, 3b) ein Textilmaterial und ein Harz aufweist.
Akustische Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei das Leichtholz Balsaholz, vorzugsweise Stirnbalsaholz ist.
Akustische Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zwischen dem Leichtholz und der Beschichtung (3a, 3b) ein Porenfüller (2a, 2b) vorgesehen ist.
Akustische Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Faserrichtung des Gewebes ungefähr 45° zur Längsausdehnung der Platte verläuft.
Akustische Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Paneel (I) im wesentlichen rechteckförmig ausgebildet ist und ein Verhältnis von Quer- zur Längsabmessung von 1:1,2 bis 1:3 aufweist.
Akustische Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei die Längsabmessung des schallabstrahlende Bereichs des Paneels im Bereich von 25 bis 26 cm und die Querabmessung des schallabstrahlende Bereichs im Bereich von 18 bis 19 cm liegt.
Akustische Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die ferner aufweist: einen ersten elektromechanischen Wandler (5'), der von einer Ecke des schallabstrahlenden Bereichs vom Paneel in einem Abstand von 41% bis 43% bezüglich der Querabmessung des Paneels und von der genannten Ecke in einem Abstand von 57% bis 59% bezüglich der Längsabmessung des Paneels auf dem Paneel angeordnet ist, einen zweiten elektromechanischen Wandler (5''), der von der genannten Ecke in einem Abstand von 63,5% bis 65,5% bezüglich der Querabmessung des Paneels und von der genannten Ecke in einem Abstand von 38,5% bis 40,5% bezüglich der Längsabmessung des Paneels auf dem Paneel angeordnet ist.
Akustische Vorrichtung nach Anspruch 9 mit einem Auslöschkörper (6) unter zumindest einem der elektromagnetischen Wandler (5', 5''), wobei das Massenverhältnis von Auslöschkörper (6) und durch diesen abgedecktem Bereich vom Paneel (I) 1:2 bis 1:5 beträgt.
Akustische Vorrichtung nach Anspruch 1, das an einer Seite durch einen Abdeckrahmen (9, 11) mit einem konzentrischen Durchbruch abgedeckt ist.
Akustische Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei der Rahmen mitteldichtes Fasermaterial aufweist.
Akustische Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, wobei der Rahmen einen Abstand von 0,2 bis 10 cm, vorzugsweise 1 bis 4 cm zum Paneel (I) hat.
Akustische Vorrichtung nach Anspruch 13, wobei auf die bezüglich dem Paneel abgewandten Seite des Rahmens ein faseriges oder offenporiges Dämmaterial mit einer Schallabsorption vorzugsweise ab 1 kHz aufgebracht ist.
Akustische Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Paneel in einen Rahmen (9) eingespannt wird und zwischen Rahmen (9) und Paneel oder in Berührung mit dem Rahmen ein schwingungsdämpfendes Material zur Entkopplung vorgesehen ist.
Akustische Vorrichtung nach Anspruch 15, wobei der Rahmen (9) mit einer Körperschalldämpfungsmasse (10) gefüllt ist.
Akustische Vorrichtung nach Anspruch 15 oder 16, wenn diese von einem der Ansprüche 11 bis 14 abhängen, wobei sich der Abdeckrahmen (11) auf dem Rahmen (9) befindet.
Akustische Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Schallabstrahlung nach dem Multiresonanzprinzip erfolgt.