DE1487382B2 - Ebene, scheibenförmige Membran für einen Lautsprecher - Google Patents

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf eine ebene scheiben- Wellen, welche in F i g. 4 angedeutet sind, beeinflußt

förmige Membran für einen Lautsprecher, der im fol- ist,

genden als Flachlautsprecher bezeichnet ist. F i g. 6 (A) eine Ansicht einer grundlegenden Aus-

Bisher hatte ein Flachlautsprecher im allgemeinen führungsform einer Lautsprechermembran gemäß der

eine symmetrische, planparallele Membran, die mei- 5 Erfindung,

stens rechteckig war. Bei solch einer Form treten un- F i g. 6 (B) eine perspektivische Ansicht eines Lauterwünschte, abrupte und extreme Spitzen und Schwin- Sprechers mit einer Membran nach F i g. 6 (A),
gungslöcher in der Ausgangsschalldruck-Frequenz- F i g. 7 eine Ansicht, die den Schwingungsmodus kennlinie des Lautsprechers auf, wie es weiter unten dritter Ordnung der Membran nach F i g. 7 zeigt,
beschrieben wird. io F i g. 8 eine graphische Darstellung der Schall-Aus der USA.-Patentschrift 1 821 547 ist eine Mem- druck-Frequenzkennlinie der Membran nach F i g. 6, bran mit unsymmetrischer Form bekannt. Die Mem- F i g. 9 bis 14 einschließlich Ansichten anderer Ausbran ist jedoch nur in einen relativ kleinen Teil des führungsformen der Erfindung mit ihren Schwingungs-Randes eingespannt und wird am gegenüberliegenden moden dritter Ordnung und
Randteil angetrieben. 15 Fig. 15 und 16 Ansichten von Beispielen für ge-

Ferner ist aus der USA.-Patentschrift 1 224 102 krümmte Ausführungsformen gemäß der Erfindung,

eine Membran für Kopfhörer bekannt, die einen zen- Um das Wesen und die Anwendbarkeit der Erfin-

tralen Teil mit Ansätzen aufweist und sich in der dar- dung vollständig zu verstehen, wird nachstehend ein

gestellten Form nicht für den Aufbau eines Laut- üblicher Flachlautsprecher beschrieben.

Sprechers eignet. 20 Solch ein Lautsprecher, der in den F i g. 1 (A), 1 (B)

In der USA.-Patentschrift 1 500 331 ist ferner eine und 1 (C) dargestellt ist, hat eine rechteckförmige

Membran für einen Telefonhörer angegeben, bei der Membran 1, die elastisch oder nicht elastisch, an ihrem

die Abstände vom Antriebspunkt zum Rand variieren Umfangsrand durch einen Rahmen 2 getragen wird

und an die Frequenzen angepaßt sind. und die in ihrer Mitte O erregt wird, wodurch Schall

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine ebene, scheiben- 25 erzeugt wird. In F i g. 1 (C) ist eine Antriebseinheit 7

förmige Membran für einen Flachlautsprecher zu (Magnet) dargestellt. Ein Flachlautsprecher dieser

schaffen, die derart ausgebildet ist, daß keine uner- Ausführungsform hat eine Schalldruck-Frequenzkenn-

wünschten Spitzen oder Schwingungslöcher in der linie, die zu große Schwankungen (Spitzen oder

Frequenzkennlinie des Lautsprechers auftreten. Schwingungslöcher) enthält. Unter den verschiedenen

Diese Aufgabe wird durch die Kombination folgen- 30 Ursachen für diese Kennlinie haben die stehenden

der Merkmale gelöst: Wellen auf der Membran den größten Einfluß. Dieses

_v ,._,..,,.,, , . . , Phänomen kann in zwei Weisen erklärt werden, ein-

a) die Flache der Membran hat eine unsymmetrische _{ma]> daß die} Schwingungsmoden dritter Ordnung, die geometrische tigur, _{in dem} Niederfrequenzbereich erscheinen, betrachtet

b) die Membran ist am gesamten Umfang einge- 35 werden und zum anderen, daß man die Schwingungsspannt, moden höherer Ordnung betrachtet, die im Bereich

c) der Antrieb der Membran liegt in der Nähe ihres mittlerer Frequenzen auftreten

geometrischen Mittelpunktes. ^DeF .. Schwingungsmodus dritter Ordnung wird

grundsatzlich durch die flache Form der Membran

Gemäß der Erfindung sind Membranen der oben- 40 erzeugt, und der Modus wird dadurch hervorgerufen,

erwähnten Ausführungsform vorgesehen, die ver- daß die flache Form in drei Teile eingeteilt wird. Ein

schiedene Formen haben, einschließlich Figuren, die Beispiel für diese Moden ist in gestrichelten Linien in

dadurch entstehen, daß Teile von Rechtecken, von F i g. 2 dargestellt. Wenn sich auch die Frequenz, bei

Vielecken ohne irgendwelche zueinander parallele Sei- der der Schwingungsmodus dritter Ordnung entsteht,

ten, von geschlossenen Figuren in verzerrter krumm- 45 mit der Masse, der Größe, dem Elastizitätsmodul, der

liniger Gestalt und von geschlossenen Figuren von im Halterung und anderen Faktoren, die die Membran

wesentlichen elliptischer oder ovaler Gestalt, die an auszeichnen, ändert, so liegt sie gewöhnlich bei 200 Hz

einer oder mehreren Umfangsseiten S-förmige Krüm- (beispielsweise wenn die Membran aus geschäumtem

mungen haben, wodurch eine oder mehrere konkave Polystyrol einer Dichte von 0,03 g/cm³ hergestellt ist

nach innen ragende Vertiefungen entstehen. 50 und Abmessungen von 900 · 600 mm und eine Dicke

Die Erfindung wird nun an Hand von Zeichnungen von 11 mm hat, wobei ihr Rand festgeklemmt ist),

beispielsweise beschrieben. Dabei zeigt Bei dieser Frequenz treten Resonanzen und Anti-

F i g. 1 (A) eine Ansicht der Membran und des resonanz;n au?, und die wirksam ausgesteaerie Masse

Rahmens eines Flachlautsprechers bekannter Aus- der Membran ändert sich in weiten Grenzen, wodurch

führungsform, 55 der Schallstrahlungswirkungsgrad sehr schlecht wird.

F i g. 1 (B) eine perspektivische Ansicht eines Laut- Ferner wird wegen der Beziehung zwischen den Phasen

Sprechers mit einer Membran nach F i g. 1 (A), der schwingenden Teile des Modus die Richtwirkung

F i g. 1 (C) einen Schnitt durch einen Lautsprecher sehr schlecht, d. h., der abgestrahlte Schalldruck

mit einer Membran nach F i g. 1 (A), ändert sich stark in Abhängigkeit von der Richtung.

F i g. 2 eine Ansicht, in der der Schwingungsmodus 60 Dieser Effekt ist verdächtig, wenn die planparallele dritter Ordnung in der Membran nach F i g. 1 einge- Form der Membran so ausgebildet ist, daß sie regelzeichnet ist, mäßig in drei Teile geteilt werden kann. Eine rechteck-

F i g. 3 eine graphische Darstellung der Schall- förmige Ausführungsform kann in äußerst regelm'ißi-

druck-Frequenzkennlinie der Membran nach F i g. 1, ger Weise in drei Teile geteilt werden, wie es in F i g. 2

F i g. 4 eine Ansicht, die die Wellenausbreitung 65 dargestellt ist. Bei der obenerwähnten Frequenz tritt

zeigt, die zu stehenden Wellen führt, ein bemerkenswert tiefes Schwingungsloch 3 in der

F i g. 5 eine graphische Darstellung der Frequenz- Ausgangsschalldruck-Frequenzkennlinie auf, so wie

gangkennlinie der Membran, die durch die stehenden es in F i g. 3 dargestellt ist.

Die Schwingungsmoden höherer Ordnung hängen grundsätzlich davon ab, in welcher Weise die verschiedenen Seiten des Membranumfangs gegeneinander stehen. Im Falle einer rechteckförmigen Membran entstehen die stehenden Wellen 4, 5 und 6, wie es in F i g. 1 angedeutet ist, wegen der Schwingungsumkehr über der Membran 1 zwischen den Rahmenteilen. Die Frequenzen dieser stehenden Wellen sind höher als die des Schwingungsmodus dritter Ordnung und liegen gewöhnlich über 500 Hz. In diesem Falle hängen die Frequenzen auch von der Masse, der Größe, dem Elastizitätsmodul,;.der Art der Halterung und anderen Faktoren der Membran ab. ' ^:

Folglich ist in diesem Falle auch der Schallstrahlungswirkungsgrad geringer, und die Richtwirkung wird auch schlecht, ähnlich wie im oben beschriebenen Falle bei dem Schwingungsmodus dritter Ordnung.

Dann werden, wie es in F i g. 5 angedeutet ist, tiefe Schwingungslöcher und Spitzen in der Ausgangsschalldruck-Frequenzkennlinie bei den erwähnten Frequenzen erzeugt.

Die Erfindung hat zum Ziel, daß

1. tiefe Schwingungslöcher und Spitzen in der Frequenzgangkennlinie eines Flachlautsprechers einer Ausführungsform beseitigt werden, bei der der Umfang der Membran festgespannt ist (d. h. in einem Zustand, bei dem die Ecken nicht frei gehaltert sind), so daß eine Verbiegungsbewegung der Membran verwendet werden kann,

2. die Entstehung verdächtiger stehender Wellen bei speziellen Frequenzen der Membran und gleichzeitig komplexer Schwingungsmoden (jedoch nicht ausschließlich verdächtiger Moden) bei verschiedenen Frequenzen verhindert wird,

3. Schwingungsmoden dritter Ordnung auf der Membran nicht ausgebildet werden und die Erzeugung von Unterschieden der Form der Modusteile in beabsichtigter und positiver Weise unterdrückt wird,

4. eine Membranform, die asymmetrisch ist, d. h. eine Membranform, die keine Symmetrieachse oder keinen Symmetriepunkt hat, vorgesehen ist,

5. die Entstehung von stehenden Wellen auf der Membran durch die Umkehrung der Schwingungen zwischen entgegengesetzten Seiten der Membran und die Entstehung von Schwingungsmoden höherer Ordnung unterdrückt wird,

6. eine Membranform mit verzerrten Kurven vorgesehen ist, so daß keine Teile auf einander gegenüberliegenden Seiten des Membranumfangs sich parallel gegenüberstehen, und

7. eine Membran vorgesehen ist, die in zwei Teile geteilt ist. öderen einer Teil hauptsächlich die Schwingungen für niederfrequenten Schall und deren anderer Teil hauptsächlich die Schwingungen für Schall mittlerer und hoher Frequenzen erzeugt, damit der Strahlungswirkungsgrad für Schall mittlerer und hoher Frequenzen verbessert wird.

Die obenerwähnten Ziele wurden durch die Erfindung erreicht; die Eigenarten und Einzelheiten werden durch die folgende Beschreibung mit Bezug auf bevorzugte Ausführungsbeispiele deutlich, die zuerst mit einer Betrachtung über die Unterdiückung der Schwingungsmoden dritter Ordnung beginnt.

In den F i g. 6 (A) und 6 (B) ist ein Lautsprecher mit vierseitiger Membran dargestellt, die dadurch erzeugt wird, daß ein rechtwinkliges Dreieck längs seiner Hypotenuse vom einen Ende des Rechtecks weggeschnitten wird, wodurch das sich ergebende Ende der Membran schräg versetzt ist.
Die Membran 11 ist an ihrem Umfang an dem Rahmen 12 festgeklemmt und wird an einer Stelle O, nahe der Mitte seiner geometrischen Gestalt ausgesteuert. Folglich ist der Schwingungszustand in^:diesem Falle ähnlich dem des bekannten Falles, nämlich daß erstens ein Schwingungsmodus der ersten Ordnung bei niedrigen Frequenzen erscheint, der die niedrigere Resonanzfrequenz des Lautsprechers wird. Da ferner der Aussteuerungspunkt nahe der Mitte der Membran liegt, tritt kein Schwingungsmodus zweiter Ordnung auf, wodurch in der Frequenzgangkennlinie für diese Frequenz kein Schwingungsloch auftritt.

Da jedoch der Schwingungsmodus dritter Ordnung verzerrt ist, ist, wie es in F i g. 7 dargestellt ist, dieser Schwingungsmodus nicht klar ausgebildet, und da insbesondere die Modusteile X und Y verschiedene Form annehmen, vermindern sich die Resonanz und die Antiresonanz bei den Frequenzen bemerkenswert. Folglich nimmt die Frequenzgangkennlinie, die sich von der in dem üblichen Fall nach F i g. 3 unterscheidet, in diesem Fall die Form nach F i g. 8 an, wobei nur ein sehr kleines Schwingungsloch 3a selbst bei Frequenzen, die dem Schwingungsmodus dritter Ordnung entsprechen, auftritt.

Als Versuchsmodell für eine Membranform nach F i g. 6 wurde eine Membran aus geschäumtem PoIystyrol hergestellt, die eine Dicke von 11 mm und eine Dichte von 0,03 g/cm³ und eine Form hatte, die dadurch entstand, daß ein rechtwinkliges 303 ■ 6OD mm großes Dreieck von einem 900 · 600 mm großen Rechteck abgeschnitten wurde, und deren Membran mit ihrem Rand an einem Rahmen festgeklemmt war und etwa in der Mitte der..geometrischen Figur angesteuert wurde.

Daraus ergab sich, daß das Schwingungsloch in der Kennlinie, bei der Frequenz, die dem Schwingungsmodus dritter Ordnung entsprach, bemerkenswert im Vergleich zu einer bekannten rechteckförmigen Membran vermindert war.

Die F i g. 9 bis 14 einschließlich zeigen verschiedene Ausführungsformen gemäß der Erfindung mit verschiedenen Membranformen 11 und Lage des Aussteuerungspunktes O, und in jedem Falle sind die Umrisse des Schwingungsmodus dritter Ordnung angedeutet. Insbesondere zeigt die F i g. 9 eine Form, die sich daraus ergibt, daß ein Teil von einem Rechteck längs einer gekrümmten Linie weggeschnitten wird; F i g. 10 zeigt eine vierseitige Form, die dadurch entsteht, daß ein Dreieck von einer Längsseite des Rechtecks weggeschnitten wird; F i g. 11 zeigt eine Form, die dadurch entsteht, daß eine Ecke eines Rechtecks längs einer gekrümmten Linie weggeschnitten wird; F i g. 12 zeigt ein ungleichseitiges rechteckiges Dreieck und F i g. 13 ein Trapez mit ungleichem Schenkel.

Während die obenerwähnten Formen der Membran 11 dadurch entstehen, daß Rechtecke abgewandelt werden, ist die Membranform gemäß der Erfindung natürlich nicht darauf begrenzt und kann aus einem weiten Bereich von Formen ausgewählt werden, beispielsweise aus Formen, die sich aus Deformationen

der Teile eines Vierecks, aus einem vierseiligen Gebilde mit ungleichen Seiten und/oder ungleichen Winkeln ergeben, obwohl solch eine Form bei der Herstellung einige Schwierigkeiten bereiten kann, wie es in F i g. 14 dargestellt ist, aus Polygonen mit allgemein ungleichen Seiten und/oder ungleichen Winkeln und aus Formen mit gekrümmten Umfangsseiten, wie es weiter unten beschrieben wird.

Die vierseitige Form nach F i g. 14 hat keine parallelen gegenüberliegenden Seiten und hat deshalb die gleiche Wirkung wie die gekrümmten Formen, die später beschrieben werden, d. h., sie beseitigt genauso wirksam den Nachteil, der im Zusammenhang mit F i g. 4 und 5 beschrieben und angedeutet wurde.

Zusätzlich zu der obenerwähnten Verbesserung des Schwingungsmodus dritter Ordnung weist die Erfindung eine weitere Verbesserung im Bereich mittlerer und hoher Frequenzen auf, wo Schwingungsmoden höherer Ordnung vorliegen.

In einer Ausführungsform gemäß der Erfindung nach F i g. 15 ist eine Membran 21 von im wesentlichen elliptischer oder ovaler Form, welche einen konkaven Teil aufweist, der durch eine S-förmige Krümmung der Umfangskurve entsteht, mit ihrem Umfang an einem Rahmen (nicht dargestellt) festgeklemmt, und sie wird an einer Stelle O nahe der Mitte der geometrischen Gestalt ausgesteuert.

Aus der obigen Beschreibung wird es an Hand der verschiedenen Beispiele deutlich, daß es bei dieser Membran 21 nach Fig. 15 sehr schwierig ist, daß sich ein Schwingungsmodus dritter Ordnung ausbildet. Es ist auch einzusehen, daß Schwingungsmoden höherer Ordnung nicht so einfach entstehen können.

Der Grund dafür liegt darin, daß die geometrische Gestalt der Membran durch eine unregelmäßige Kurve bestimmt ist und keine gegenüberliegenden parallelen Seiten aufweist, so daß keine stehenden Wellen, die in F i g. 4 angedeutet sind, entstehen können.

Ferner hat diese geometrische Figur folgenden Vorteil: Wenn diese Membran 21 an der Stelle O erregt wird, schwingt sie größtenteils im Teil α der Membran bei niedrigen Frequenzen, während Schwingungsmoden bei Frequenzen von mittleren und hohen Tönen im Teil α und, b auftreten. Wenn der Teil b von der Erregungsstelle O entfernt ist, dann ist seine wirkliche Masse klein, da sein Schwingungsgebiet klein und sein Umfang festgeklemmt ist, wodurch der Strahlungswirkungsgrad bei mittleren und hohen Tönen sehr hoch ist.

In einer anderen Ausführungsform nach F i g. 16 wurde die Membranform nach demselben Prinzip verbessert, wie bei dem Beispiel, das in Fig. 15 dargestellt ist. Die in Fig. 16 dargestellte Membranform ist im wesentlichen eine Ellipse, sie wurde jedoch deformiert, damit ihre Brennpunkte beseitigt werden; an drei Teilen der Umfangskurven wurden jeweils durch S-förmige Krümmung konkave Teile aus-, gebildet. Diese Membran 31 ist an ihrem Umfangan einem Rahmen (nicht dargestellt) befestigt und wird an einem Punkt O neben der Mitte der geometrischen Figur ausgesteuert.

Die Arbeitsweise und Wirksamkeit dieser Membran 31 ist ähnlich der der Membran 21 nach F i g. 15; es können sich dabei Schwingungsmoden dritter Ordnung und auch Schwingungsmoden höherer Ordnung nur schwierig ausbilden. Eei niedrigen Frequenzen treten die Schwingungen vor allem im Teil c auf, und bei mittleren und hohen Frequenzen treten die Schwingungen in den übrigen Teilen auf, wodurch der Strahlungswirkungsgrad vergrößert wird.

Um das Wesen und die Anwendbarkeit der Erfindung noch genauer darzustellen, werden die folgenden Beispiele wirklicher Ausführungsformen gegeben, wobei diese Beispiele nur zur Illustration dienen und nicht die Erfindung irgendwie begrenzen sollen.

Beispielsweise sind Flachlautsprecher mit Membranen der geometrischen Formen nach F i g. 15 und folgenden Dimensionen gebaut und geprüft worden:

A. =	900	mm
B =	600	mm
^ .	650	mm
D =	350	bis 400 mm

In einem anderen Fall wurden Lautsprecher mit Membranen der geometrischen Gestalt nach F i g. 16 und den folgenden Dimensionen gebaut und geprüft:

A1	= 900	mm	700	mm
Bi	= 650	bis	250	mm
C1	= 200	bis	600	mm
Dx	= 550	bis	60	mm
E	= 50	bis	80	mm
F	= 50	bis	80	mm
G	= 50	bis
H	= 650	mm

In beiden Fällen wurden zufriedenstellende Ergebnisse erreicht. Die obigen Dimensionen sind nur als Beispiele angegeben und ändern sich natürlich in Abhängigkeit von dem Werkstoff der Membran, ihrer Dicke und der beabsichtigten niedrigsten Resonanzfrequenz.

Wie oben beschrieben, treten'bei der Anwendung der Erfindung keine besonders verdächtigen Schwingungsmoden bei irgendwelchen bestimmten Frequenzen auf, und es erscheinen in der Frequenzgangkurve der Membran keine großen Spitzen oder Schwingungslöcher. Die Schwingungsmoden sind nicht außergewöhnlich klar, d.h., sie erscheinen bei etwas verschiedenen Frequenzen, und es erscheint in der Frequenzgangkennlinie eine große Anzahl von kleinen Spitzen und Frequenzlöchern. Spitzen und Frequenzlöcher bis zu einem gewissen Grad sind besonders bei Lautsprechern für Musikinstrumente sehr erwünscht (da sie zu Tönen einzigartige Tonfarben addieren).

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Ebene, scheibenförmige Membran für einen Lautsprecher, gekennzeichnet durch die Kombination folgender Merkmale: ■■■}·.

a) die Fläche der Membran hat eine unsymmetrische geometrische Figur,

b) die Membran ist am gesamten Umfang eingespannt,

c) der Antrieb der Membran liegt in der Nähe ihres geometrischen Mittelpunktes.

2. Lautsprecher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran keine zueinander parallelen Seitenwände aufweist.

3. Lautsprecher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran die Form einer verzerrten, gekrümmten, geschlossenen Figur hat.

4. Lautsprecher nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran im wesentlichen

elliptisch oder oval ist und an einem oder mehreren ihrer Umfangsteile S-förmige Krümmungen hat, wodurch eine oder mehrere konkav nach innen, ragende Vertiefungen entstehen.

5. Lautsprecher nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Form der Membran, bezogen auf ihre Länge oder maximale Ausdehnung des Wertes A, eine Breite oder Ausdehnung senkrecht zur maximalen Ausdehnung von etwa L·^) A hat und daß sich eine konkave, nach innen ragende Vertiefung an einem Umfangsteil befindet, die von einer Querseite der Form einen Abstand von etwa (~9Öö~) ^A ^^{at um}* ^{von emer} Längsseite der Form

einen Abstand von etwa

A bis

A hat.

6. Lautsprecher nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Form der Membran, bezogen auf ihre Länge oder maximale Ausdehnung des Wertes A, eine Breite oder Ausdehnung senk-

recht zur maximalen Ausdehnung von etwa I _onn

\ yuu

hat und mindestens drei nach innen ragende Vertiefungen hat, von denen jede eine Tiefe, bezogen auf den allgemeinen Umfang der Form,

von etwa

_{( 9(K)}-j A bis ("9Q₀-) A hat, und daß diese

Vertiefungen jeweils in einem ungefähren Abstand

/650\ . ,. /700\ . / 200 \ ... /250\

\\-r-T---)A bis 1^^— I A. von l^^-\A bis l-^^^l

von

950")

, /550\ .

und von (_w) A

bis

A, von
/600

900/ " ^ I 900 Γ A von einer Querseite

der Figur angeordnet sind.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

009 537/126