DE10251227B4

DE10251227B4 - Flachlautsprecher und Verfahren zur Herstellung eines Filters dafür

Info

Publication number: DE10251227B4
Application number: DE2002151227
Authority: DE
Inventors: Stefano Ambrosius Dr. Klinke
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Gigaset Communications GmbH
Priority date: 2002-11-04
Filing date: 2002-11-04
Publication date: 2005-06-02
Anticipated expiration: 2022-11-05
Also published as: DE10251227A1

Abstract

Flachlautsprecher mit einem Gehäuse, an dem ein plattenförmiges Element zur Abstrahlung von Schallsignalen angebracht ist, mit mindestens einem Betätigungselement zur Anregung des plattenförmigen Elements mit Biegewellen und mit einem Filter für das mindestens eine Betätigungselement zur Entzerrung des Flachlautsprechers, dadurch gekennzeichnet,
dass der Filter abhängig von einem gewünschten Frequenzverlauf für ein Verhältnis zwischen einer von dem mindestens einen Betätigungselement auf das plattenförmige Element ausgeübten Kraft und einer mechanischen Impedanz des plattenförmigen Elementes ausgelegt ist und
dass mit Hilfe des Filters der Frequenzverlauf der Kraft des mindestens einen Betätigungselementes so bemessen ist, dass sich ein im wesentlichen konstantes Verhältnis zwischen der von dem mindestens einem Betätigungselement ausgeübten Kraft und der mechanischen Impedanz des plattenförmigen Elements ergibt.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Flachlautsprecher mit einem Gehäuse, an dem ein plattenförmiges Element zur Abstrahlung von Schallsignalen angebracht ist, mit mindestens einem Betätigungselement zur Anregung des plattenförmigen Elements mit Biegewellen und mit einem Filter für das mindestens eine Betätigungselement zur Entzerrung des Flachlautsprechers, sowie auf ein Verfahren zur Herstellung eines Filters für den Flachlautsprecher.

Wie allgemein bei Lautsprechern üblich, ist es auch bei Flachlautsprechern von Bedeutung, einen möglichst glatten und flachen Frequenzgang des Flachlautsprechers innerhalb eines vorgegebenen Frequenzintervalls zur Ausstrahlung von Schallsignalen zu gewährleisten. Um eine Entzerrung des Flachlautsprechers vorzunehmen, wird im Stand der Technik der Frequenzgang des Flachlautsprechers mittels eines geeigneten Schalldetektors, der in der Nähe des Flachlautsprechers angeordnet ist, erfasst. Ausgehend von den Ergebnissen dieser Vorgehensweise wird ein Filter angepasst, der dem Betätigungselement für das plattenförmige Element des Flachlautsprechers vorgeschaltet ist.

Diese bekannte Vorgehensweise hat den Nachteil, dass Flachlautsprecher in ihrem Frequenzgang Maxima und Minima aufweisen, die verschiedene Ursachen haben können. Beispielsweise kann ein auftretendes Minimum bzw. ein Einbruch im Frequenzgang des Flachlautsprechers darauf zurückzuführen sein, dass eine mangelnde mechanische Anpassung zwischen dem Betätigungselement und dem plattenförmigen Element vorliegt. Ebenso ist es möglich, dass ein Einbruch im Frequenzgang des Flachlautsprechers darauf zurückzuführen ist, dass am Ort des Detektors zur Erfassung der Schallsignale eine destruktive Interferenz von Schallsignalen vorliegt, und zwar bei bestimmten Frequenzen. Dies beruht darauf, dass Teile auf dem plattenförmigen Element bei diesen bestimmten Frequenzen in Phase schwingen, was sowohl zu den bereits erwähnten Einbrüchen als auch im Falle einer konstruktiven Interferenz zu ausgeprägten Maxima in dem Frequenzgang des Flachlautsprechers führen kann. Solche Effekte, die von den Eigenschaften des plattenförmigen Elementes herrühren, lassen sich mit Hilfe des Filters nicht wirksam vermeiden, denn sie beruhen auf der modalen Natur des plattenförmigen Elements.

Wenn nun versucht wird, auch die auf die modale Natur des plattenförmigen Elementes zurückzuführenden Maxima und Minima im Frequenzgang des Flachlautsprechers durch Anpassung des Filters auszugleichen, um zu einem flachen und glatten Frequenzgang zu gelangen, ist dieses Verfahren fehlerbehaftet, da nicht berücksichtigt wird, dass sich die Maxima/Minima aufgrund der modalen Natur des plattenförmigen Elementes am Ort des Detektors nicht vermeiden lassen.

Insofern ist das im Stand der Technik bekannte Verfahren zum Auslegen eines Filters für einen Flachlautsprecher sehr aufwendig und mühsam. Hinzu kommen auch erhebliche Kosten für die Auslegung des Filters. In manchen Fällen wird eine Entzerrung des Flachlautsprechers sich als unmöglich erweisen.

Aus der WO 00/45616 A1 ist ein recht komplexes Verfahren zur Ausbildung plattenförmiger Lautsprecher bekannt, wobei einem Umbau eines plattenförmigen Innenelementes eines Kraftfahrzeuges zu einem Lautsprecher besondere Beachtung geschenkt wird. Es werden verschiedene Parameter angegeben, die für eine optimale Funktionsfähigkeit des zum Lautsprecher umgebauten plattenförmigen Innenelementes von Bedeutung sind, nämlich physikalische Einzelheiten, Größe, Oberflächendicke, Kontur und Materialzusammensetzung. Auch werden akustische Parameter genannt, wie eine Oberflächendichte, eine Oberflächengröße, Biegeverluste usw. Der Offenbarungsgehalt dieser Druckschrift beschränkt sich somit auf allgemeine Angaben von Parametern, die für eine Funktionsfähigkeit des plattenförmigen Lautsprechers von Bedeutung sind, so dass der Fachmann eine gewisse Auswahl von Parametern erhält, die er im Hinblick auf eine zufrieden stellende akustische Wiedergabeeigenschaft verändern kann.

Aus der US 4,654,554 ist ebenfalls ein Verfahren zur Herstellung eines plattenförmigen Lautsprechers bekannt, wobei Frequenzverläufe für eine mechanische Impedanz in Beziehung zu einem Schalldruck berücksichtigt werden. Zur Optimierung von Schallwiedergabeeigenschaften des Lautsprechers wird beispielsweise angegeben, zusätzliche Massen an dem plattenförmigen Lautsprecher vorzusehen.

Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Flachlautsprecher und ein Verfahren zur Herstellung eines Filters für den Flachlautsprecher anzugeben, bei dem sich in einfacher Weise ein gewünschter Frequenzgang des Flachlautsprechers herbeiführen lässt.

Diese Aufgabe wird hinsichtlich des Flachlautsprechers gelöst durch einen Flachlautsprecher mit einem Gehäuse, an dem ein plattenförmiges Element zur Abstrahlung von Schallsignalen angebracht ist, mit mindestens einem Betätigungselement zur Anregung des plattenförmigen Elements mit Biegewellen und mit einem Filter für das mindestens eine Betätigungselement zur Entzerrung des Flachlautsprechers, wobei der Filter abhängig von einem gewünschten Frequenzverlauf für ein Verhältnis zwischen einer von dem mindestens einen Betätigungselement auf das plattenförmige Element ausgeübten Kraft und einer mechanischen Impedanz des plattenförmigen Elementes ausgelegt ist und dass mit Hilfe des Filters der Frequenzverlauf der Kraft des mindestens einen Betätigungselementes so bemessen ist, dass sich ein im wesentlichen konstantes Verhältnis zwischen der von dem mindestens einem Betätigungselement ausgeübten Kraft und der mechanischen Impedanz des plattenförmigen Elements ergibt.

Dieser Ausführungsform des Flachlautsprechers liegt die Vorgehensweise zugrunde, sich nicht zur Entzerrung des Flachlautsprechers auf seinen gemessenen Frequenzgang zu beziehen, sondern die Entzerrung auf anderer Grundlage durchzuführen. Diese andere Grundlage wird gebildet durch die Auslegung des Filters für das mindestens eine Betätigungselement in Abhängigkeit von dem gewünschten Frequenzverlauf für das Verhältnis zwischen Kraft des Betätigungselements und mechanischer Impedanz des plattenförmigen Elements. Auf diese Weise wird eine Entzerrung des mindestens einen Betätigungselements durchgeführt, nicht aber des Flachlautsprechers insgesamt.

Die Auslegung des Filters erfolgt auf der Basis eines vorab bestimmten Frequenzverlaufs für das o. g. Verhältnis. Das Hauptaugenmerk bei der Auslegung des Filters wird somit darauf gelegt, eine mechanische Anpassung zwischen dem Betätigungselement und dem plattenförmigen Element zu optimieren und die Messung des Frequenzganges des Flachlautsprechers insgesamt ggf. erst in einem zweiten Schritt zu berücksichtigen. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass bei der Anpassung des Filters für das Betätigungselement allein die mechanische Impedanz des plattenförmigen Elementes herangezogen wird, so dass etwaige Einbrüche oder Maxima in dem Frequenzgang des Flachlautsprechers, die sich aus der modalen Natur des plattenförmigen Elementes ergeben, bei der Anpassung nicht zu Fehlern führen können.

Bevorzugt wird mit Hilfe des Filters ein Frequenzverlauf der Kraft des mindestens einen Betätigungselements Maxima und Minima aufweisen, die jeweils mit Maxima und Minima in einem Frequenzverlauf der mechanischen Impedanz des plattenförmigen Elementes im wesentlichen zusammenfallen. Dies bedeutet, dass im Fall einer ausgeprägten mechanischen Impedanz bei einer bestimmten Frequenz das mindestens eine Betätigungselement auch mit einer entsprechend ausgeprägten Kraft betrieben wird, die von dem Filter bestimmt wird. Ähnliches gilt für auftretende Minima in dem Frequenzverlauf der mechanischen Impedanz des plattenförmigen Elementes.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass mit Hilfe des Filters der Frequenzverlauf der Kraft des mindestens einen Betätigungselements so bemessen ist, dass sich für das Verhältnis zwischen der auf das plattenförmige Element ausgeübten Kraft und der mechanischen Impedanz über ein vorbestimmtes Frequenzspektrum ein im wesentlichen konstanter Wert ergibt. Dies ist der Idealfall für eine Optimierung der mechanischen Anpassung zwischen dem mindestens einen mechanischen Betätigungselement und dem plattenförmigen Element. Dieser Idealfall wird sich in vielen Fällen nur annähern lassen, wobei ein bestimmter Wert für das Verhältnis vorgegeben sein kann, wonach der Filter mit Hilfe eines Verfahrens der kleinsten Fehlerquadrate so variiert wird, dass die ihm zugrundeliegende Filterfunktion eine maximale Annäherung an ein konstantes Verhältnis zeigt.

Die o. g. Aufgabe wird hinsichtlich des Verfahrens gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung eines Filters für mindestens ein Betätigungselement eines plattenförmigen Elementes eines Flachlautsprechers, mit den Schritten:

a) Messung des Frequenzverlaufs für die auf das plattenförmige Element ausgeübte Kraft des mindestens einen Betätigungselementes,
b) Messung des Frequenzverlaufs für eine mechanische Impedanz des Flachlautsprechers,
c) Auslegung des Filters derart, dass ein gewünschter Frequenzverlauf für ein Verhältnis zwischen einer von dem mindestens einen Betätigungselement auf das plattenförmige Element ausgeübten Kraft und einer mechanischen Impedanz des plattenförmigen Elementes verwirklicht wird,

wobei das Verhältnis zwischen der von dem mindestens einen Betätigungselement auf das plattenförmige Element ausgeübten Kraft und der mechanischen Impedanz des plattenförmigen Elementes im Wesentlichen konstant ist.

Abweichend vom Stand der Technik, wird nach diesem Verfahren jedenfalls zunächst darauf verzichtet, den Frequenzgang des Flachlautsprechers insgesamt für die Anpassung des Filters heranzuziehen. Vielmehr werden zuerst Messungen sowohl für die mechanische Impedanz des plattenförmigen Elementes als auch für die von dem mindestens einem Betätigungselement ausgeübte Kraft, die auf das plattenförmige Element wirkt, vorgenommen. Anschließend erfolgt in dem Schritt c) die Auslegung des Filters. Auf diese Weise wird eine optimale mechanische Anpassung des mindestens einen Betätigungselements an das plattenförmige Element verwirklicht.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen noch näher erläutert. Es zeigen:
1 einen Frequenzverlauf für die mechanische Impedanz eines linsenförmigen plattenförmigen Elements zur Abstrahlung von Schallsignalen in dem Frequenzbereich von etwa 200 Hz bis etwa 5.000 Hz und
2 einen Frequenzverlauf für die Kraft eines mechanischen Betätigungselementes zur Anregung des plattenförmigen Elements in demselben Frequenzbereich wie bei 1.
Wie aus 1 hervorgeht, zeigt ein typischer Frequenzverlauf für die mechanische Impedanz eines plattenförmigen Elementes, das zu Biegewellen angeregt wird und Schallsignale abstrahlt, eine Anzahl Maxima und eine Anzahl Einbrüche bzw. Minima. In der 2 ist gezeigt, wie sich die Kraft eines mechanischen Betätigungselementes, bei dem es sich üblicher Weise um einen Piezoaktuator handelt, als Funktion der Frequenz verhält. Es ist zu erkennen, dass bis zu einer Frequenz von etwa 400 Hz die Amplitude der Kraft relativ gering ist, während sie ab dieser Grenze stark ansteigt und im nachfolgenden Verlauf zu höheren Frequenzen einige ausgeprägte Maxima und Minima zeigt.
Diese beiden, anhand der 1 und 2 veranschaulichten Messungen sind die Grundlage für die Auslegung eines Filters, der bei einem Flachlautsprecher einzusetzen ist, der mit dem plattenförmigen Element und dem Piezoaktuator ausgestattet ist, deren Frequenz-Eigenschaften in den 1 und 2 niedergelegt sind. Um eine optimierte mechanische Anpassung des Piezoaktuators an das plattenförmige Element zu gewährleisten, ist es wünschenswert, dass ein Quotient aus den beiden in den 1 und 2 dargestellten Frequenzverläufen frequenzunabhängig ist. Dieser Idealfall wird nicht immer erreichbar sein. Dem gegenüber kann dieser Fall dadurch angenähert werden, dass für das Filter von einem Filterpolynom ausgegangen wird, dessen Koeffizienten sukzessive unter Verwendung eines geeigneten Algorithmus angepasst werden.
In diesem Zusammenhang kann für jeden neu berechneten Koeffizientensatz für das Filterpolynom der Frequenzverlauf für den Quotienten aus mechanischer Impedanz und Kraft des Piezoaktuators berechnet werden. Mit Hilfe eines Verfahrens der kleinsten Fehlerquadrate kann eine jeweilige Abweichung zu einem konstanten Quotienten über das Frequenzband abgeschätzt werden. Sobald die Abweichung einen vorbestimmten Wert unterschreitet, kann der Satz Filterkoeffizienten für den Filter festgeschrieben werden, der den Frequenzverlauf für die Kraft des Piezoaktuators festlegt.
Auf diese Weise wird eine optimale mechanische Anpassung des plattenförmigen Elementes an den Piezoaktuator bewerkstelligt.
In einem nachfolgenden Anpassungsschritt kann, wie im Stand der Technik bekannt, der Frequenzgang des Flachlautsprechers insgesamt berücksichtigt werden, allerdings lediglich in Form einer Feinabstimmung der bereits gewonnenen Filterkoeffizienten.

Claims

Flachlautsprecher mit einem Gehäuse, an dem ein plattenförmiges Element zur Abstrahlung von Schallsignalen angebracht ist, mit mindestens einem Betätigungselement zur Anregung des plattenförmigen Elements mit Biegewellen und mit einem Filter für das mindestens eine Betätigungselement zur Entzerrung des Flachlautsprechers, dadurch gekennzeichnet, dass der Filter abhängig von einem gewünschten Frequenzverlauf für ein Verhältnis zwischen einer von dem mindestens einen Betätigungselement auf das plattenförmige Element ausgeübten Kraft und einer mechanischen Impedanz des plattenförmigen Elementes ausgelegt ist und dass mit Hilfe des Filters der Frequenzverlauf der Kraft des mindestens einen Betätigungselementes so bemessen ist, dass sich ein im wesentlichen konstantes Verhältnis zwischen der von dem mindestens einem Betätigungselement ausgeübten Kraft und der mechanischen Impedanz des plattenförmigen Elements ergibt.
Verfahren zur Auslegung eines Filters für mindestens ein Betätigungselement eines plattenförmigen Elementes eines Flachlautsprechers, mit den Schritten: a) Messung des Frequenzverlaufs für die auf das plattenförmige Element ausgeübte Kraft des mindestens einen Betätigungselementes, b) Messung des Frequenzverlaufs für eine mechanische Impedanz des Flachlautsprechers, c) Auslegung des Filters derart, dass ein gewünschter Frequenzverlauf für ein Verhältnis zwischen einer von dem mindestens einen Betätigungselement auf das plattenförmige Element ausgeübten Kraft und einer mechanischen Impedanz des plattenförmigen Elementes verwirklicht wird, wobei das Verhältnis zwischen der von dem mindestens einen Betätigungselement auf das plattenförmige Element ausgeübten Kraft und der mechanischen Impedanz des plattenförmigen Elementes im wesentlichen konstant ist.
Verfahren nach Anspruch 2, bei dem der Filter durch Filterkoeffizienten charakterisiert ist, die bei der Durchführung des Schrittes c) angepasst werden.