DE19631293A1

DE19631293A1 - Akustischer Wandler

Info

Publication number: DE19631293A1
Application number: DE1996131293
Authority: DE
Inventors: Leonhard Kreitmeier; Joerg Prokisch; Bernhard Puls
Original assignee: Nokia Deutschland GmbH
Current assignee: Harman Audio Electronic Systems GmbH
Priority date: 1996-08-02
Filing date: 1996-08-02
Publication date: 1998-04-09
Anticipated expiration: 2016-08-03
Also published as: DE19631293B4

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung befaßt sich mit der Verbesserung von elektroakustischen Wandlern, insbesondere mit der Aufhängung von akustischen Wandlern mit Flachmembranen.

Stand der Technik

Gemäß dem Stand der Technik werden akustische Wandler im allgemeinen so ausgebildet, daß ein Magnetsystem vorhanden ist, welches eine Membran antreibt. Dazu ist die Membran mit einer Schwingspule versehen, welche in den Luftspalt des Magnetsystems eintaucht. Um die Membran zu zentrieren, sind Aufhängelemente vorhanden, welche die Membran in einem mit dem Magnetsystem verbundenen Gehäuse beweglich lagern.

Je nach Design des akustischen Wandlers können die Membranen konus-, kalottenförmig oder auch planar ausgebildet sein. Im letzten und für die vorliegende Erfindung maßgeblichen Fall spricht man allgemein auch von Flachmembranen. Im Gegensatz zu konisch- oder kalottenförmigen Membranen, welche schon durch ihre Raumform eine große Steifigkeit besitzen, sind Flachmembran außerordentlich instabil. Letzteres bedeutet, daß wenn - wie bei akustischen Wandlern üblich - die Krafteinleitung durch die Schwingspule zentrisch zur Fläche der Flachmembran erfolgt, bei Flachmembranen sehr leicht Eigenschwingungsmoden auftreten, welche den Frequenzgang des Wandlers nachteilig beeinflussen. Ein gewisse Verbesserung in dieser Beziehung kann dadurch erreicht werden, daß ein steiferes Membranmaterial verwendet wird. So sind z. B. Flachmembran aus Leichtmetall bekannt, welche allerdings in der Produktion einen großen Herstellungsaufwand erfordern. Auch ist es zur Erhöhung der Streifigkeit der Flachmembranen bekannt, diese mit einer wabenförmigen Struktur zu versehen. Letzteres führt aber dazu, daß dadurch das Gewicht der schwingenden Masse erhöht wird.

Die Aufhängung von Membranen ist im allgemeinen so gelöst, daß ein erstes Aufhängelement vorhanden ist, welches bei Flachmembranen den Durchmesserrand der Flachmembran mit dem Gehäuse verbindet, indem dieses Aufhängelement den Radialabstand zwischen Gehäuse und Flachmembran bogenförmig überspannt.

Dieses erste Aufhängeelement, welches auch bei konus- oder kalottenförmigen Membranen Verwendung findet, wird in der Wandlertechnik allgemein auch als Sicke bezeichnet. Dieses erste Aufhängelement hat die Aufgabe, die Membran während des Hubs zentrisch zur Symmetrieachse des Wandlers zu führen sowie auf die Membran nach deren Auslenkung eine Rückstellkraft auszuüben. Des weitern sind zweite Aufhängelemente geläufig, welche nahe der Schwingspule mit der Membran oder einem Schwingspulenträger verbunden sind und welche gleichfalls zum Gehäuse geführt sind. Diese zweiten Aufhängelemente, welche in der Regel ziehharmonikaförmig geformt sind, werden auch als Zentriermembranen bezeichnet und haben die Aufgabe, die Schwingspule während des Betriebs des Wandlers in einer definierten Lage zum Luftspalt zu halten. Gleichfalls soll die Zentriermembran auf das Schwingsystem auch einer Rückstellkraft ausüben.

Auch wenn die Aufhängelemente zum Betrieb eines Wandlers notwendig sind, weisen sie aber alle den Nachteil auf, daß sie den vom Magnetsystem auf die Membran vermittelten Hub dämpfen, wobei bei Vorhandensein von ersten und zweiten Aufhängelementen gemäß der obigen Darstellungen die Dämpfung quasi verdoppelt wird.

Daher liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen akustischen Wandler mit Flachmembran anzugeben, welche die Nachteile gemäß dem Stand der Technik vermeidet.

Darstellung der Erfindung

Diese Aufgabe wird mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen der Erfindungen sind den Ansprüchen 1-9 entnehmbar.

Werden sämtliche Aufhängelemente entsprechend Anspruch 1 in zumindest einer Ebene angeordnet, wobei die Aufhängelemente, welche in einer Ebene liegen, eine konzentrische Lage zur Symmetrieachse des Wandlers einnehmen, wird sichergestellt, daß durch die damit bewirkte Abstützung der Flachmembran diese gewichtsmäßig sehr leicht ausgebildet werden kann, ohne daß befürchtet werden muß, daß durch Schwingungseinflüsse die flache Formgebung der Flachmembran zeitweise beseitig wird. Schon an dieser Stelle soll darauf hingewiesen, daß die in einer Ebene liegenden Aufhängelemente in Richtung zur Symmetrieachse des Wandlers bzw. in Hubrichtung der Flachmembran nicht alle notwendigerweise die gleiche Dämpfung aufweisen müssen. Sofern es notwendig ist, können beispielsweise die Aufhängelemente, welche nur einen geringen Radialabstand zur Symmetrieachse des Wandlers bzw. dem Punkt haben, an welchem die Krafteinleitung in die Membran erfolgt, eine größere Dämpfungswirkung haben als die Aufhängelemente, die eine weiter beanstandete Lage zur genannten Achse haben.

Sind gemäß Anspruch 2 die notwendigen Aufhängelemente auf zwei Ebenen aufgeteilt, wobei die beiden Ebenen bezogen zur Symmetrieachse des Wandlers zueinander koaxial angeordnet sind, werden sehr gleichmäßige Hubbedingungen erreicht. Sind die in den beiden Ebenen angeordneten Aufhängelemente auch noch zusätzlich unter Vorspannung zwischen dem Gehäuse und der Flachmembran eingespannt, unterstützen unter Betriebsbedingungen die Aufhängelemente der einen Ebene durch die mittels der Vorspannung gespeicherten Energie die Verformung der Aufhängelemente der anderen Ebene, womit im Betriebszustand des Wandlers trotz des Vorhandenseins von koaxial zu einer angeordneten Aufhängelementen die auf den Membranhub ausgeübte Dämpfung sehr gering ausfällt.

Mittels der in Anspruch 3 angegebenen Modifikationen lassen sich auch gezielt Eigenschwingungsmoden von den Flachmembranen beseitigen. Im Zusammenhang mit Anspruch 3 stehenden Anordnungen schließen ein, daß die gegenseitigen radialen Abstände zwischen Aufhängelementen einer Ebene ungleich zueinander sein können und daß bei Vorhandensein von Aufhängelementen in zwei Ebenen die Anordnung der Aufhängelemente von beiden Ebenen nicht notwendigerweise spiegelsymmetrisch zur Flachmembran ausgeführt sein muß.

Wird der Wandler gemäß Anspruch 5 ausgebildet, wird durch die Vertiefungen das Gewicht der Flachmembran weiter reduziert. Außerdem verbessern die Vertiefungen durch die Vergrößerung der Kontaktfläche zwischen jeweiligem Aufhängelement und Flachmembranen deren radiale Führung. Schließlich erleichtern auch die Vertiefungen die Herstellung von erfindungsgemäßen Wandlern, weil durch die Vertiefungen die relative Lage von Aufhängelementen und Flachmembranen während der Herstellung der Wandler vorgegeben ist.

Die beiden letzten Vorteile sind auch dann gegeben, wenn das Gehäuse gleichfalls mit Vertiefungen ausgestaltet ist.

Stehen die in zwei Ebenen angeordneten Aufhängelemente im komplettierten Zustand des Wandlers unter Vorspannung, kann bei Vorhandensein von Vertiefungen auf eine Befestigung der Aufhängelemente an der Flachmembran und auch am Gehäuse gänzlich verzichtet werden. Insbesondere ist dabei die nicht notwendige Befestigung von Aufhängelementen an der Flachmembran von Bedeutung, da eine solche Befestigung - müßte sie ausgeführt werden - durch die Verwendung von Klebstoffen die schwingende Masse erhöhen würde. Ist das in Anspruch 8 näher bezeichnete Aufhängeelement luftdicht ausgebildet, werden akustische Kurzschlüsse ausgeschlossen. In diesem Zusammenhang sei angemerkt, daß das zu diesem Zwecke in Anspruch 8 angegebene Aufhängelement als endloses Dichtelement ausgebildet ist.

Das in Anspruch 9 angegebene Gleitlager bewirkt, daß die Flachmembran im Gehäuse geführt wird bzw. ein unkontrolliertes Anstoßen der Flachmembran am Gehäuse unterbunden wird.

Kurze Darstellung der Figuren

Es zeigen:

Fig. 1 einen akustischen Wandler im Schnitt;

Fig. 2 eine weitere Darstellung gemäß Fig. 1; und

Fig. 3 eine Draufsicht einer Flachmembran gemäß Fig. 2;

Fig. 4a-e fünf Darstellungen von Aufhängeelementen;

Fig. 5 eine weitere Darstellung gemäß Fig. 1;

Fig. 6 eine weitere Darstellungen gemäß Fig. 1;

Fig. 7 eine weitere Darstellung gemäß Fig. 1; und

Fig. 8a + b zwei weitere Darstellungen gemäß Fig. 2

Wege zum Ausführen der Erfindung

Die Erfindung soll nun anhand der Figuren näher erläutert werden.

Fig. 1 zeigt einen akustischen Wandler 10, welcher im wesentlichen von einem Magnetsystem 11, einer Flachmembran 12 und einem Gehäuse 13 gebildet wird. Die Flachmembran 12 ist mit einem Schwingspulenträger 14 verbunden, dessen freies Ende, welches mit einer Schwingspule (nicht gezeigt) versehen ist, in den Luftspalt 15 des Magnetsystems 11 eintaucht. Die Flachmembran 12, welche im Gehäuse 13 angeordnet ist, ist mit diesem über eine Mehrzahl von Aufhängelementen 16 verbunden. Dabei sind sämtliche Aufhängelemente 16 in einer Ebene angeordnet und haben eine konzentrischen Lage zur Symmetrieachse des Wandlers 10. Wird nun mittels des Magnetsystems 11 (angedeutet durch den Pfeil) auf die Flachmembran 12 eine Hubkraft ausgeübt, so bewegt sich diese dank der Wirkung der Aufhängelemente 16 sehr gleichmäßig in Pfeilrichtung. Verformungen der Flachmembran 12 unter der Wirkungen des Hubs müssen dabei nicht befürchtet werden, da die Aufhängelemente 16 dämpfend auf Eigenschwingungsmoden der Flachmembran 12 wirken. Dies bedeutet weiter, daß durch eine gezielte Abstandswahl zwischen den Aufhängelementen 16 in Radialrichtung gezielt Eigenschwingringsmoden der Flachmembran 12 gezielt gedämpft werden können. Neben der Modifikation durch die Abstandswahl kann zur Erreichung eines gleichmäßigen Flächenhubs der Flachmembran 12 in Pfeilrichtung die Dämpfungswirkung der verschiedenen Aufhängelemente 16 auch voneinander verschieden sein. Ist - wie im in Fig. 1 gezeigten Beispiel - die Flachmembran 12 sehr dünn ausgebildet, sollte das Aufhängelement 16.1, welches den geringsten Abstand zum Schwingspulenträger 14 aufweist, gegenüber dem weiter beanstandeten Aufhängelement 16.2 eine größere Dämpfung auf die Flachmembran 12 ausüben. Das Aufhängelement 16.3, welches die geringste Dämpfwirkung aller Aufhängelemente 16 in dem in Fig. 1 gezeigten Beispiel hat, ist nicht wie die übrigen Aufhängelemente 16. 1, 16.2 hohl dargestellt. Damit ist angedeutet, daß dieses Aufhängelement 16.3 zur Vermeidung von akustischen Kurzschlüssen zwischen Schallwellen, welche vor der Vorder- bzw. Rückseite 17, 18 der Flachmembran 12 abgestrahlt werden, luftdicht ausgebildet ist und die Vorderseite 17 der Flachmembran 12 von deren Rückseite 18 vollständig abkoppelt, wenn der Wandler 10 mit seinem Rand 13.1 in eine Einbauwand (nicht gezeigt) eingesetzt ist.

Fig. 3, welche eine Draufsicht auf die Rückseite 18 der Flachmembran 12 gemäß Fig. 1 zeigt, veranschaulicht, daß auch die übrigen Aufhängelemente 16.1, 16.2 kreisringförmig ausgebildet sind. Eine solche Formgebung der Aufhängelemente 16 ist jedoch mit Ausnahme des Aufhängeelements 16.3, welches den größten Abstand zur Symmetrieachse des Wandlers 10 hat, nicht zwingend notwendig. Vielmehr können in einem anderen - nicht dargestellten Ausführungsbeispiel - die zwischen der Symmetrieachse des Wandlers 10 und dem Aufhängelement 16.3 gelegenen Aufhängelemente 16. 1, 16.2 von einer Mehrzahl beispielsweise kugelförmiger Aufhängelemente gebildet sein.

Die in Fig. 2 gezeigte Ausführungsform unterscheidet sich in der Ausführungsform gemäß Fig. 1 dadurch, daß die Aufhängelemente 16 in zwei Ebenen, d. h. beiderseitig der Flachmembran 12 angeordnet sind. Da sich der in Fig. 2 gezeigte Wandler 10 in Ruhestellung befindet und die jeweiligen Aufhängeelemente 16, 16′ ohne Vorspannung zwischen der Flachmembran 12 und dem Gehäuse 13 liegen, ist es notwendig die Aufhängeelemente 16, 16′ an der Flachmembran 12 und am Gehäuse 13 beispielsweise durch Klebung zu fixieren, damit die Aufhängelemente 16, 16′ unter Betriebsbedingungen des Wandlers 10 ihre definierte Lage zur Symmetrieachse des Wandlers 10 behalten. Dadurch, daß die Aufhängelemente 16, 16′ in zwei Ebenen koaxial zur Symmetrieachse des Wandlers 10 liegen, wird sichergestellt, daß sehr gleichmäßige Abstrahlbedingungen des Wandlers 10 erzielt werden.

Nur der Vollständigkeit halber sei darauf hingewiesen, daß die Aufhängelemente 16, 16′ der beiden Ebenen nicht notwendiger Weise spielsymmetrisch zur Flachmembran 12 angeordnet sein müssen. So kann z. B. das Aufhängelement 16.2′ entfallen, wenn sichergestellt ist, daß unter Betriebsbedingungen des Wandlers 10 die Dämpfung des Aufhängelementes 16.2 in Zusammenspiel mit den übrigen Aufhängelementen 16, 16′ ausreicht. Auch kann in einem nicht dargestellten Ausführungsbeispiel die Wirkung des Aufhängelements 16.2′ bei seinem Entfall dadurch ersetzt werden, daß das Aufhängeelement 16.1′ einen größeren und das Aufhängelement 16.3′ einen geringeren Abstand zur Symmetrieachse des Wandlers 10 erhält.

In Fig. 4 sind fünf Profile von Aufhängelementen 16, 16′ gezeigt. Ein weiteres Profil für ein Aufhängelement 16 ist in Fig. 5 gezeigt, welche im übrigen einen Wandler 10 gemäß Fig. 1 zum Gegenstand hat.

Der in Fig. 6 gezeigte Wandler 10 unterscheidet sich von einem Wandler 10 gemäß Fig. 1 nur dadurch, daß zwischen dem Durchmesserrand 19 der Flachmembran 12 und dem Gehäuse 13 ein umlaufendes Gleitlager 20 angeordnet ist. Dieses Gleitlager 20 verbessert die Führung der Flachmembran 12 unter Betriebsbedingungen.

In Fig. 7 ist ein Wandler 10 mit Flachmembran 12 für Mittel- oder Hochtonanwendungen gezeigt. Das Magnetsystem 11 des Wandlers 10 wird von einem radial zur gezeigten Symmetrieachse des Wandlers 10 magnetisierten Dauermagnet 11′ in Kreisringform gebildet. Die Flachmembran 12 ist in der Öffnung 21 des kreisringförmigen Dauermagneten 11′ angeordnet. Die Schwingspule 22 ist am Durchmesserrand 19 der scheibenförmig ausgebildeten Flachmembran 12 angesetzt. Auch in diesem Fall sind Aufhängelemente 16, 16′ in zwei Ebenen vorhanden, welche die Flachmembran 12 unter Wirkung von zwei die Öffnung 21 des Dauermagneten 11′ teilweise abdeckenden Gehäuseteilen 13, 13′ lagern.

In Fig. 8a ist eine Flachmembran 12 und ein Teil des Gehäuses 13 gemäß Fig. 2 vergrößert dargestellt. Im Unterschied zur Ausführungsform gemäß Fig. 2 sind das Gehäuse 13 und die Flachmembran 12 mit Vertiefungen 23 ausgestaltet. In den zueinander komplementierten Vertiefungen 23 von Flachmembran 12 und Gehäuse 13 sind Aufhängelemente 16, 16′ unter Vorspannung angeordnet, wodurch die ursprüngliche Raumform der Aufhängelemente 16, 16′ in Richtung zur Symmetrieachse des Wandlers 10 etwas abgeplattet ist. Die Vorspannung wird dadurch erreicht, daß die Länge von beiden Randstücken 24 der beiden Gehäuseteile 13′, 13′′ im zusammen gebauten Zustand geringer ist als die Dicke der Flachmembran 12 zusammen mit dem Durchmesser der in zwei Ebenen angeordneten Aufhängelemente 16, 16′ in ihrer ursprünglichen Raumform. Nur der Vollständigkeit halber sei angemerkt, daß die Aufhängelemente 16, 16′ gemäß Fig. 8a + b im nicht vorgespannten Zustand die Raumform eines Kreises haben.

Wird nun die Flachmembran 12 gemäß Fig. 8a in Schwingungen versetzt, stellen sich die Verhältnisse ein, welche in Fig. 8b gezeigt sind. Der dort gezeigte Auswärtshub bewirkt, daß die Aufhängelemente 16′ noch stärker abgeplattet werden. Gleichzeitig streben die Aufhängelemente 16 wegen der durch die Vorspannung gespeicherten Energie eine Raumform an, welche sie ohne die Vorspannung durch die Gehäuseteile 13′, 13′′ hatten. Diese Gegebenheiten fuhren dazu, daß bei den in Fig. 8b gezeigten Verhältnissen die auf die auf der Flächenmembran 12 wirkende und den Auswertshub bezeichnende Hubkraft nur durch die Aufhängelemente 16′ gedämpft wird und durch das Anliegen der Aufhängelemente 16 in den Vertiefungen 23 gleichwohl noch eine Führung der Flachmembran 12 in radialer Richtung erreicht wird. Sind die Verhältnisse so aufeinander abgestimmt, daß die jeweiligen Aufhängelemente 16, 16′ ihre ursprüngliche Raumform selbst unter maximalen Hub nicht erreichen können, kann auf eine Verbindung zwischen Aufhängelementen 16, 16′ mit der Flachmembran 12 und/oder dem Gehäuse 13; 13′, 13′′ verzichtet werden. Nur der Vollständigkeit halber sei darauf hingewiesen, daß die in den Fig. 1, 2, 5, 6, 7, 8a und 8b Teile, welche das Gehäuse 13 bilden, nicht massiv, sondern durchbrochen ausgebildet sind. Dabei verhindern die dem Magnetsystem 11 zugewandten Durchbrüche 24 in den jeweiligen Teilen des Gehäuse 13 eine Dämpfung des Hubs der Flachmembran 12, während die Durchbrüche 24′ sofern sie überhaupt vorhanden sind, die Schallabstrahlung mittels der Vorderseite 17 der Flachmembran 12 garantieren.

Claims

1. Akustischer Wandler (10)
mit einer Flachmembran (12),
mit einem Magnetsystem (11), welche die Flachmembran (12) antreibt,
mit einem Gehäuse (13) in welchem die Flachmembran (12) angeordnet ist, und
mit einer Mehrzahl von Aufhängelementen (16), welche die Flachmembran (12) im Gehäuse (13) beweglich lagern, dadurch gekennzeichnet,
daß sämtliche Aufhängelemente (16) in zumindest einer Ebene angeordnet sind, wobei die jeweils in einer Ebene angeordnete Aufhängelemente (16) im wesentlichen konzentrisch zur Symmetrieachse des Wandlers (10) liegen.

2. Akustischer Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufhängelemente (16, 16′) in zwei Ebenen angeordnet sind, wobei die Aufhängelemente (16) der ersten Ebene zu den Aufhängelemente (16)′ der zweiten Ebene koaxial zur Symmetrieachse des Wandlers (10) liegen.

3. Akustischer Wandler nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Teil der verwendeten Aufhängelemente (16) mit den Stellen der Flachmembran (12) in körperlicher Berührung stehen, an welchem Eigenschwingungsmoden der Flachmembran (12) auftreten.

4. Akustischer Wandler nach einem der Ansprüche 1-3 , dadurch gekennzeichnet, daß die Aufhängelemente (16) mit der Flachmembran (12) und dem Gehäuse (13) verbunden sind.

5. Akustischer Wandler nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufhängelemente (16) kugel- oder kreisringförmig ausgebildet sind,
daß an den Berührungsflächen zwischen den Aufhängelementen (16) und der Flachmembran (12) zur Formgebung der Aufhängelemente (16) komplementäre Vertiefungen (23) vorhanden sind und
daß im zusammengebauten Zustand des Wandlers (10) die Aufhängelemente (16) in den Vertiefungen (23) liegen.

6. Akustischer Wandler nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Berührungsflächen zwischen den Aufhängelementen (16) und dem Gehäuse (13) gleichfalls zur Formgebung der Aufhängelemente (16) komplementäre Vertiefungen (23) vorhanden sind.

7. Akustischer Wandler nach Anspruch 2, Anspruch 5 oder Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß im komplettierten Zustand des Wandlers (10) die Aufhängelemente (16) durch die Wirkung des Gehäuses (13) im Vergleich zu ihrer im Gehäuse (13) unverbauten Formgebung eine leicht abgeplattete Formgebung aufweisen.

8. Akustischer Wandler nach einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens von in einer Ebene angeordneten Aufhängelemente (16) zumindest das Aufhängelement (16.3), welches den geringsten Abstand zum Durchmesserrand (19) der Flachmembran (12) aufweist, luftdicht ausgebildet ist.

9. Akustischer Wandler nach einem der Ansprüche 1-8, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Durchmesserrund (19) der Flachmembran (12) und dem Gehäuse (13) ein Gleitlager (20) angeordnet ist.