DE19943084A1

DE19943084A1 - Schallwandler

Info

Publication number: DE19943084A1
Application number: DE1999143084
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Bachmann; Gerhard Krump; Hans-Juergen Regl; Andreas Ziganki
Original assignee: Harman Audio Electronic Systems GmbH
Current assignee: Harman Audio Electronic Systems GmbH
Priority date: 1999-09-09
Filing date: 1999-09-09
Publication date: 2001-04-05
Also published as: EP1083770A2; EP1083770A3

Abstract

Es wird ein transparenter Schallwandler beschrieben, bei welchem eine nach dem Biegewellenprinzip schwingende Multiresonanzklangplatte (10) als ein Schall abstrahlendes oder Schall aufnehmendes Element verwendet ist. Diese Platte (10) ist mit Befestigungselementen (15, 16) in einem Rahmen (14) freitragend und dämpfungsarm derart angeordnet, daß sie zu vielfach reflektierten Biegewellen anregbar ist. Ein oder mehrere Treiber (17) oder Wandler versetzen die Platte (10) in Schwingungen oder nehmen die Schwingungen der Platte (10) auf. Der oder die Treiber (17) ist/sind vorzugsweise verdeckt zwischen Rahmenschenkel (14a) und Scheibe (10) angeordnet.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Schallwandler, der aus einer in einem Rahmen gelagerten transparenten Scheibe und mindestens einem mit der Scheibe in Schwingungsverbindung stehenden Treiber besteht.

Dieser transparente Schallwandler ist als Fenster, z. B. Schaufenster oder Gebäudefenster, entweder als durchsichtiges Mikrofon oder als durchsichtiger Lautsprecher einsetzbar.

Schallwandler dieser Art sind in der Literatur, insbesondere der Patentliteratur, bekannt.

In DE 26 12 450 A1 ist ein derartiger transparenter Schall wandler beschrieben, welcher aus einer massiven Schaufenster scheibe besteht, auf welche ein Treiber aufgeklebt ist. Mit diesem Treiber kann die Schaufensterscheibe z. B. zur Musik- oder Sprachwiedergabe in Schwingungen versetzt werden.

Aus DE 38 32 616 A1 ist der Vorschlag bekannt, auf den Bild schirm eines Fernsehgerätes eine piezopolymere Folie aufzu kleben, welche als elektromechanischer Wandler dient. Damit kann über diese durchsichtige Folie bei entsprechender An steuerung der vom Fernsehempfänger erzeugte Ton abgestrahlt werden.

Auch mit WO 96/35313 wurde schon vorgeschlagen, Fensterglas und ähnliche Materialien mit Hilfe aufgeklebter, piezoelek trischer oder elektrostatischer Wandler zum Zwecke der Schallabstrahlung in Schwingungen zu versetzen.

Die oben erwähnten Vorschläge haben noch verschiedene Nach teile.

Die Verwendung von massivem Glas führt wegen der extrem ge ringen Biegefestigkeit, bezogen auf die Masse, zu einem sehr schlechten Wirkungsgrad.

Auch die oben erwähnten Folienwandler haben wegen der gerin gen erzielbaren mechanischen Auslenkungen einen ungünstigen Wirkungsgrad.

Außerdem stört die Anordnung des Wandlers mitten im Sichtfeld der Scheibe.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Schallwandler vorzuschlagen, der die erläuterten Nachteile nicht aufweist.

Gelöst wird diese Aufgabe mit einem in Anspruch 1 angegebenen Schallwandler.

Während bei bekannten Schallwandlern mit Plattenmembran die Biegeresonanzen möglichst vermieden werden - entweder durch reflektionsfreie Bedämpfung gemäß dem Manger-Prinzip oder durch hochgestimmte Resonanzen nach dem Kolbenprinzip - wird gemäß der Erfindung eine nach dem Biegewellenprinzip schwin gende Multiresonanzklangplatte vorgeschlagen, welche einen wesentlich besseren Wirkungsgrad hat. Bei dieser Scheibe muß eine möglichst tiefe untere Eigenfrequenz mit einer möglichst tiefliegenden Koinzidenzfrequenz kombiniert werden, eine For derung, die sich am einfachsten mit einer leichten Platte er füllen lässt, welche mit Befestigungselementen im Rahmen freitragend und dämpfungsarm derart angeordnet ist, daß sie zu vielfach reflektierten Biegewellen anregbar ist.

Während grundsätzlich gemäß Anspruch 2 hierfür auch dünnwan dige massive Scheiben geeignet sind, läßt sich die Forderung am besten mit gemäß Anspruch 3 sandwichartig geschichteten Scheiben erfüllen.

Eine dämpfungsarme Lagerung läßt sich nach dem Vorschlag ge mäß Anspruch 4 mit als Polsterelementen ausgebildeten Befes tigungselementen realisieren, mit welchen die Scheibe im Rah men derartig gelenkig gelagert ist, daß Biegeschwingungen möglichst wenig absorbiert werden.

Nach Anspruch 9 können diese Polsterelemente aus gummielasti schem Schaumstoff, sogenanntem Moosgummi, bestehen, mit wel chem die Scheibe einseitig oder beidseitig im Rahmen unter Zugspannung gehalten wird.

Das einleitend erwähnte Problem der störenden Positionierung des Treibers im Sichtfeld der Scheibe wird dadurch gelöst, daß nach einem weiteren Vorschlag der Erfindung der Treiber im Rahmenbereich verdeckt angeordnet wird. Das führt aller dings zu einer weiteren Schwierigkeit. Die Schwingungsanre gung bzw. -aufnahme mittels eines am Rande einer fast frei schwingenden Platte angeordneten Treibers führt zu einem stark fluktuierenden Frequenzgang der Empfindlichkeit, wes halb man diese Anordnung bisher abgelehnt hat. Abhilfe schafft hier der Vorschlag nach Anspruch 5, nach welchem als Befestigungselemente Federzungen vorgesehen sind, mit welchen die Scheibe im Rahmen eingespannt ist. In Abhängigkeit der Positionierung der Federzungen müssen im Rahmenbereich Trei ber mit ausgesuchter Polarität und Empfindlichkeit positio niert werden. Durch die Anordnung derartiger Federelemente im Bereich der Treiberposition wird die Punktimpedanz vergrö ßert, so daß die sehr begrenzte maximale Treiberauslenkung an die lokal erforderliche Plattenauslegung angepasst werden kann. Auch die Polsterelemente können gemäß Anspruch 6 bei entsprechender Abstimmung bereichsweise zwischen Scheibe und Rahmen angeordnet sein.

Nach einem weiteren Vorschlag gemäß Anspruch 7 können jedoch Polsterelemente und/oder Federzungen auch umlaufend zwischen Scheibe und Rahmen vorgesehen sein.

Gemäß Anspruch 10 eignet sich als Material für die Federzun gen federhartes Metallblech, z. B. Federstahl, Messing oder Aluminium, schwingungsfester, federelastischer Kunststoff, z. B. aus faserverstärktem Kunstharz. Mit derartigen Feder zungen läßt sich die Scheibe im Rahmen zugfest, biegemoment übertragend, reibungsarm und unter Zugspannung montieren.

Zur Erfüllung der Forderung, eine möglichst tiefe untere Ei genfrequenz mit einer ebenfalls möglichst tief gelegenen Ko inzidenzfrequenz zu kombinieren, ist gemäß Anspruch 12 eine sandwichartig aufgebaute Scheibe als Multiresonanzklangplatte vorgeschlagen, deren beidseitige Deckblätter aus einem Mate rial bestehen, das eine hohe Dehnwellengeschwindigkeit von vorzugsweise mehr als 3.000 m/s ermöglicht und deren Kern Zellenstruktur hat und aus einem Material geringer Massen dichte von vorzugsweise kleiner als 40 kg/m³ besteht.

Die Klangeigenschaften derartiger Platten lassen sich durch eine Vorspannung in der Plattenebene verbessern, wie dies in Anspruch 8 vorgeschlagen ist. Bei diesen Spannmembranen ist die Scheibe nach Art eines Sprungtuches im Rahmen einge spannt.

Um bei einem Schallwandler, bei welchem die Scheibe gemäß An spruch 10 mit Federzungen eingespannt ist, die Lagerkräfte aufzunehmen und langzeitstabil aufrechtzuerhalten, wird gemäß Anspruch 11 vorgeschlagen, den Rahmen wenigstens teilweise aus federnd miteinander verbundenen Profilteilen aus Holz, Metall oder Kunststoff herzustellen. Diese Profilrahmenteile können hierbei die gesamte Scheibe umlaufen oder sich nur über einen Teil des Scheibenrandes erstrecken.

Das Problem der geringen Strahlungseffizienz ist durch Ver wendung der Multiresonanzklangplatte gemäß Anspruch 1 vor zugsweise mit der Dimensionierung gemäß Anspruch 12 gelöst.

Für den Kern mit geringer Massendichtigkeit ist eine Zellen struktur vorgeschlagen, welche zwar das Licht durchlässt, aber wegen der vertikalen Zellwände nur für einen beschränk ten Blickwinkel eine verzerrungsarme Durchsicht ermöglicht.

Zur Optimierung der Verzerrungsarmut sind nach den Ansprüchen 13 und 14 Kerne vorgeschlagen, welche matrixartig aus vielen, gleichartigen, durchsichtigen Zellen bestehen. Vorzugsweise sind die Zellen hierbei matrixartig, orthogonal zueinander in Zeilen und Spalten regulär angeordnet. Der Blickwinkel dieser quasi durchsichtigen Scheiben ist durch die Zellwände, insbe sondere wenn sie aus undurchsichtigem Material bestehen, zwar eingeschränkt, für viele Anwendungsbereiche läßt sich diese Einschränkung jedoch gegenüber dem Vorteil der akustischen Funktionalität in Kauf nehmen. Verschiedenen Gestaltungsmög lichkeiten für die Zellstrukturen und Materialien sind mit den Ansprüchen 14 und 15 angegeben.

Gemäß Anspruch 16 können die Zellen geschlossenwandig sein, beispielsweise im Querschnitt dreieckig, viereckig, sechs eckig, rauten- oder auch kreisförmig sein.

Die Zellen können jedoch auch gemäß Anspruch 17 offenwandig sein, wobei die Zellwände durch kleine Abstandshalter in Form von Kugeln, Würfeln, Körnern, durch aufgeklebte oder aufge schmolzene, überkreuzte Fäden aus Glas, Kunststoff, Metall oder auch durch Verklebungs-, Verschweißungs- oder Verschmel zungspunkte gegeneinander bzw. gegenüber den Deckblättern festgelegt sind.

Die Deckblätter bestehen gemäß Anspruch 18 aus homogenem, glasklarem Material mit glatter Oberfläche und sind mit dem Kern an allen Berührungsflächen schwingungsfest verbunden, vorzugsweise verklebt oder verschweißt. Als Material eignet sich Dünnglas oder auch Acrylglas.

Nach einem weiteren Vorschlag gemäß Anspruch 19 ist für die Deckblätter faservertärktes, glasklares Material mit glatter Oberfläche vorgeschlagen, das mit dem Kern gleichfalls an den Berührungspunkten schwingungsfest verbunden ist, wobei die Verstärkungsfasern des faserverstärkten Materials zur Verbes serung der Durchsichtigkeit parallel zu den Zellwänden ver laufend angeordnet sind.

Für bestimmte Anwendungszwecke, z. B. bei Verwendung des Schallwandlers für Projektionszwecke, ist gemäß Anspruch 20 vorgeschlagen, die Deckblätter auf der dem Kern zugewandten Seite mit einer glatten Oberfläche zu versehen, dagegen die äußere Oberfläche mit einer lichtstreuenden Struktur, z. B. durch Aufrauhen, Ätzen, Prägen usw. auszustatten.

Derartige Wandler lassen sich z. B. für Laser-Rückprojektio nen verwenden.

Als elektromechanische Wandler eignen sich Treiber mit seis mischer Masse und schwingungsfester, klirrfreier Kontaktie rung vorzugsweise in Form bekannter piezoelektrischer Bie geschwinger oder elektrodynamischer Schwinger, vorzugsweise mit Seltenerdmagneten. Diese Treiber können entweder schwim mend auf der Scheibe oder gegen den Rahmen abgestützt ange ordnet, vorzugsweise aufgeklebt, sein.

Bei der Montage dieser Wandler ist auf optimale Polarität und Anschlußdämpfung zu achten.

Der erfindungsgemäße Schallwandler eignet sich für eine Fülle von Anwendungsmöglichkeiten. So kann er gemäß Anspruch 22 entweder als Lautsprecher, z. B. auch für Konferenzpulte und Isolierkabinen, oder gemäß Anspruch 2 als Mikrofon verwendet werden. Besonders geeignet ist dieser Wandler gemäß Anspruch 24 für Fernsehgeräte mit Flachbildschirmen, wobei die Scheibe selbst für die Laserprojektion verwendet oder mit einem LCD- Bildschirm kombiniert wird.

Ferner läßt sich der Wandler gemäß Anspruch 25 mit Vorteil als architektonisches Element, z. B. als Gebäudefenster oder Glasdach, einsetzen, wobei mittels des Schallwandlers entwe der Sprach- oder Musikwiedergabe realisiert oder Schall zum Zwecke der Geräuschunterdrückung erzeugt wird.

Schließlich lässt sich der Schallwandler gemäß den Ansprüchen 26 und 27 entsprechend dem Vorschlag nach DE-OS 26 12 450 bei Schaufenstern, Schaukästen oder für andere Werbeeinrichtungen einsetzen.

Der Gegenstand der Erfindung ist nachstehend anhand der in den Zeichnungen schematisch dargestellten Ausführungsbeispie le im Einzelnen erläutert. In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen als Fenster ausge bildeten Schallwandler,

Fig. 2 Detailaufsichten auf Scheiben in verschiedenen Aus führungsformen, nämlich

Fig. 2.1 Scheiben mit im Querschnitt rechteckigen und orthogonal angeordneten Zellen,

Fig. 2.2 Scheiben mit mäanderförmig angeordneten Zellwänden, welche gemeinsam rautenförmige Zellen bilden,

Fig. 2.3 Scheiben mit sechseckigen nach Art von Honigwaben angeordneten Zellen und

Fig. 3 vergrößerter Querschnitt durch den Kern einer Scheibe.

Der in Fig. 1 dargestellte, als Fenster ausgebildete Schall wandler, ein sogenannter Fensterschallwandler, weist im we sentlichen eine sandwichartig aufgebaute Scheibe 10 mit Deck blättern 11 und 12 und einem Kern 13 auf. Sowohl die Deck blätter 11 und 12 als auch der leichte, schubsteife Kern 13 bestehen aus transparentem Material. Der Kern 13 besteht aus drei übereinander angeordneten Zellschichten, deren Zellwände rechtwinklig zueinander und parallel bzw. senkrecht zu den Deckblättern 11, 12 verlaufen.

Die Scheibe 10 ist in einem Rahmen 14 angeordnet und entweder mit schwach dämpfenden, relativ nachgiebigen Polsterlelemen ten 15 oder mit relativ harten Federzungen 16 gelagert. Zwi schen Rahmen 14 und Scheibe 12, vorzugsweise abgedeckt durch den Rahmenschenkel 14a, ist ein Treiber 16 zur Umwandlung elektrischer Signale in mechanische Schwingungen oder zur Umwandlung mechanischer Schwingungen in elektrische Signale vorgesehen. Dieser Treiber kann entweder aus einer nicht dar gestellten Signalquelle gespeist werden. In diesem Fall wirkt der Fensterschallwandler als Lautsprecher. Der Treiber kann jedoch auch die von der Scheibe 10 aufgenommenen Schwingungen in elektrische Signale umwandeln, die über einen Verstärker einem Lautsprecher zugeführt werden. In diesem Fall wirkt der Fensterschallwandler als Mikrofon.

Die Scheibe 10 kann grunsätzlich massiv ausgebildet sein. Be vorzugt ist jedoch die in Fig. 1 angedeutete Sandwichbauwei se.

Mit den Aufsichten der Kernschichten gemäß Fig. 2 sind ver schiedene Zellquerschnitte veranschaulicht.

Fig. 2.1 zeigt einen Kern, dessen Zellen 20 senkrecht und pa rallel zu den Seitenwänden verlaufende Zellwände 21 und 22 aufweisen.

Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2.2 werden die an sich offenwandigen Zellen 30 durch mäanderförmig verlaufende Wand teile 31 gebildet, so daß rautenförmige Zellstrukturen ent stehen.

Die Darstellung gemäß Fig. 2.3 schließlich zeigt einen Kern, dessen im Querschnitt sechseckige Zellen 40 nach Art einer Honigwabe angeordnet sind.

Wie mit der weiteren Figur gemäß Fig. 3 veranschlaulicht ist, führen vertikale Zellwände 50 zwangsläufig zu einer Behinde rung der Durchsicht, da der Blickwinkel α eingeschränkt ist. Während die Deckblätter 51 und 52 zweckmässigerweise aus transparentem Material bestehen, können erforderlichenfalls die vertikalen Zellwände 50 auch aus lichtundurchlässigen Materialien bestehen.

Bezugszeichenliste

10

Scheibe

11

,

12

Deckblätter

13

Kern

14

Rahmen

14

a Rahmenschenkel

15

Polsterelement

16

Treiber

20

Zellen

21

,

22

Zellwände

30

Zellen

31

Zellwände

40

Zellen

50

Zellwände

51

,

52

Deckblätter
α Blickwinkel

Claims

1. Schallwandler, bestehend aus einer in einem Rahmen gela gerten transparenten Scheibe und mindestens einem mit der Scheibe in Schwingungsverbindung stehenden Treiber, dadurch gekennzeichnet, daß die Scheibe (10) eine nach dem Biegewellenprinzip schwingen de Multiresonanzklangplatte ist, welche mit Befesti gungselementen (15, 16) im Rahmen (14) freitragend und dämpfungsarm derart angeordnet ist, daß sie zu vielfach reflektierten Biegewellen anregbar ist, und daß der Treiber (17) vorzugsweise zwischen Rahmen (14a) und Scheibe (10) vorgesehen ist.

2. Schallwandler nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine massive Scheibe (16).

3. Schallwandler nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine sandwichartig geschichtete Scheibe (10).

4. Schallwandler nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Befestigungselemente Polsterelemente (15) sind, mit wel chen die Scheibe (10) im Rahmen (14) derartig gelenkig gelagert ist, daß Biegeschwingungen möglichst wenig ab sorbiert werden.

5. Schallwandler nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Befestigungselemente Federzungen (16) sind, mit welchen die Scheibe (10) im Rahmen (14) eingespannt ist.

6. Schallwandler nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Polsterelemente (15) und/oder die Federzungen (16) be reichsweise zwischen Scheibe (10) und Rahmen (14) an geordnet sind.

7. Schallwandler nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Polsterelemente (15) und/oder Federzungen (16) umlaufend zwischen Scheibe (12) und Rahmen (14) angeordnet sind.

8. Scheibe nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Scheibe mit einer oder mehreren Spannungsmembranen aus Kunststoff, Textilgewebe oder Metallfolie im Rahmen ein gespannt ist.

9. Scheibe nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Polsterelemente (15) aus gummielastischem Schaumstoff bestehen, mit welchen die Scheibe einseitig oder beid seitig im Rahmen (14) unter Zugspannung gehalten wird.

10. Scheibe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Federzungen (16) aus federhartem Metallblech oder schwingungsfestem, federelastischem Kunststoff bestehen und zugfest, biegemomentübertragend und reibungsarm mit Scheibe (10) und Rahmen (14) verbunden sind.

11. Scheibe nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Rahmen wenigstens teilweise aus federnd miteinander ver bundenen Profilteilen aus Holz, Metall oder Kunststoff besteht.

12. Schallwandler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Scheibe (10) wenigstens aus einem ebenen Kern (13) mit Zellstruktur und beidseitigen Deckblättern (11, 12) be steht, welche miteinander fest verbunden sind, wobei die Deckblätter aus einem hohe Dehnungswellengeschwindigkei ten, vorzugsweise von mehr als 3.000 m/s, ermöglichenden Material besteht und der Kern eine geringe Massendichte, vorzugsweise < 40 kg/m³, hat.

13. Schallwandler nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern (13) matrixartig, orthogonal zueinander in Zeilen und Spalten regulär angeordnete Zellen (20) aufweist, deren durchsichtige oder undurchsichtige Wände (21, 22) senkrecht zu den durchsichtigen Deckblättern (11, 12) stehen.

14. Schallwandler nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Zellen einen mehreckigen, vorzugsweise einen drei-, vier- oder sechseckigen bzw. runden Querschnitt aufwei sen (Fig. 2.1, 2.2, 2.3).

15. Schallwandler nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Zellwände aus Glas, Kunststoff, Papier oder Metall, vor zugsweise Aluminium, bestehen.

16. Schallwandler nach Anspruch 13, 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Zellen geschlossenwandig sind (Fig. 2.1, Fig. 2.3).

17. Schallwandler nach Anspruch 13, 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Zellen (30) teilweise offenwandig sind, wobei die Zell wände (31) durch Abstandhalter gegeneinander bzw. gegen über den Deckblättern festgelegt sind (Fig. 2.2).

18. Schallwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Deckblätter aus homogenem, glasklarem, durchsichtigem Material mit glatter Oberfläche bestehen und mit dem Kern an allen Berührungflächen schwingungfest verbunden sind.

19. Schallwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Deckblätter aus faserverstärktem, glasklarem Material mit glatter Oberfläche bestehen und mit dem Kern an al len Berührungspunkten schwingungsfest verbunden sind, wobei die Verstärkungsfasern parallel zu den Zellwänden verlaufend angeordnet sind.

20. Schallwandler nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Deckblätter nur auf der dem Kern zugewandten Seite eine glatte Oberfläche aufweisen, während die äußeren Ober flächen eine lichtstreuende Struktur besitzen.

21. Schallwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß der Treiber (17) ein elektrischer Biegeschwinger oder ein elektrodynamischer Schwinger ist, der auf der Scheibe (10) schwimmend oder gegen den Rahmen (14) abgestützt angeordnet, insbesondere aufgeklebt, ist.

22. Schallwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 21, gekennzeichnet durch die Verwendung als Lautsprecher.

23. Schallwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 21, gekennzeichnet durch die Verwendung als Mikrofon.

24. Schallwandler nach Anspruch 22, gekennzeichnet durch die Verwendung als Projektionsfläche für ein Fernsehgerät, auf welcher das Bild durch Rückprojektion erzeugbar ist.

25. Schallwandler nach Anspruch 22, gekennzeichnet durch die Verwendung als Fenster- oder Dachelement bei Gebäuden zur Schallwieder gabe oder Geräuschunterdrückung.

26. Schallwandler nach Anspruch 22, gekennzeichnet durch die Verwendung bei einem Schaufenster, dessen Scheibe vorzugsweise mit Näh rungssensoren versehen ist, welche der Steuerung einer Schallquelle dienen.

27. Schallwandler nach Anspruch 22, gekennzeichnet durch die Verwendung als ebener, plattenförmiger Werbeträger, dessen Platte mit Näherungssensoren versehen ist, welche der Steuerung ei ner Schallquelle dienen.