DE202013012087U1 - Sound transducer (loudspeaker) with electromagnetic drive, in which a freely oscillating mounted diaphragm in the center of a permanent magnet is fixed, is excited centrally between two electromagnets by driving with an alternating current to vibrate - Google Patents
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Abstract
Hauptanspruch Schallwandler (Lautsprecher) mit elektromagnetischem Antrieb, bei dem eine frei schwingend gelagerte Membran, in deren Zentrum ein Permanentmagnet fixiert ist, mittig zwischen zwei Elektromagneten durch Ansteuerung mit einem Wechselstrom zum Schwingen angeregt wird.Main claim sound transducer (speaker) with electromagnetic drive, in which a freely oscillating mounted diaphragm, in the center of a permanent magnet is fixed, is excited centrally between two electromagnets by driving with an alternating current to vibrate.
Description
Schallwandler (Lautsprecher) mit elektromagnetischem Antrieb, bei dem eine frei schwingend gelagerte Membran, in deren Zentrum ein Permanentmagnet fixiert ist, mittig zwischen zwei Elektromagneten durch Ansteuerung mit einem Wechselstrom zum Schwingen angeregt wird.Sound transducer (loudspeaker) with electromagnetic drive, in which a freely oscillating diaphragm, in the center of which a permanent magnet is fixed, is excited centrally between two electromagnets by driving with an alternating current to oscillate.
Stand der Technik und deren NachteileState of the art and its disadvantages
Der heutige Standard im Lautsprecherbereich ist der elektrodynamische Schallwandler, welcher eine, an die Membran mechanisch fest gekoppelte durch das NF Signal durchflossene, Schwingspule in einem Luftspalt eines Permanentmagneten bewegt und so durch kolbenförmige Membranbewegung Schalldruck erzeugt.The current standard in the loudspeaker area is the electrodynamic sound transducer, which moves a voice coil, which is mechanically firmly coupled to the membrane through the NF signal, in an air gap of a permanent magnet and thus generates sound pressure by piston-shaped diaphragm movement.
Es gibt auch weitere Systeme, wie z. B. Elektrostaten und Magnetostaten, welche jedoch eher selten vertreten sind.There are also other systems, such. As electrostatics and magnetostats, which, however, are rarely represented.
Meine folgende Feststellung der Nachteile konzentriert sich deshalb auf die meist verbreiteten Systeme, sprich auf die elektrodynamischen Schallwandler, wie sie heute überwiegend zur Schallwiedergabe im hörbaren Frequenzbereich, eingesetzt werden.My following statement of the disadvantages therefore concentrates on the most common systems, ie on the electrodynamic sound transducers, as they are used today predominantly for sound reproduction in the audible frequency range.
Die Nachteile herkömmlicher Antriebe:The disadvantages of conventional drives:
- – Hohe Leistungsaufnahme speziell im Bereich tiefer Frequenzen.- High power consumption, especially in the low frequencies.
- – Niedriger, systembedingter Wirkungsgrad durch den Luftspalt.- Low, system-related efficiency through the air gap.
- – Mechanische Verkantung der Schwingspule als häufigste Ausfallursache.- Mechanical tilting of the voice coil as the most frequent failure cause.
- – Mechanisch schwingende elektrische Komponenten (Schwingspule, Anschlusslitzen).- Mechanically oscillating electrical components (voice coil, lead wires).
- – Schlechte Wärmeabführung der Verlustleistung im Luftspalt.- Poor heat dissipation of the power loss in the air gap.
- – Nur eingeschränkte Möglichkeiten der externen Kühlung der Schwingspule.- Only limited possibilities for external cooling of the voice coil.
- – Hohes Gewicht, speziell bei sogenannten Tieftönern und Subwoofern.- High weight, especially in so-called woofers and subwoofers.
Die für eine impulstreue Wiedergabe parameterbestimmende Federkonstante bzw. Rückstellkraft der Membran in ihren Schwingungs-Nullpunkt dieser elektrodynamischen Schallwandler wird einzig durch die mechanische Aufhängung der Membran und die mechanischen Eigenschaften der Schwingspulen zentrierspinne definiert. Dies führt zwangsläufig zu technischen und physikalischen Grenzen, was die untere Grenzfrequenz bei gleichzeitig hohen Pegeln betrifft.For a pulse-faithful reproduction parameter determining spring constant or restoring force of the membrane in its oscillation zero point of this electrodynamic transducer is defined solely by the mechanical suspension of the membrane and the mechanical properties of the voice coil centering spider. This inevitably leads to technical and physical limits, which affects the lower limit frequency at high levels.
Für eine niedrige Resonanzfrequenz ist eine weiche Aufhängung erforderlich, welche auf die Signalwiedergabe ein tendenziell unkontrolliertes Verhalten der Membran im stromlosen Zustand und eine mögliche Wiedergabe tiefer Frequenzen lediglich in sehr großen Volumina zur Folge hat.For a low resonance frequency, a soft suspension is required, which has on the signal reproduction tends to uncontrolled behavior of the membrane in the de-energized state and a possible reproduction of low frequencies only in very large volumes.
Wird die Federkonstante, sprich die Rückstellkraft zugunsten der Impulswiedergabe mechanisch erhöht, ist dadurch bedingt ein stärkerer Antrieb erforderlich, welcher durch große Magnetsysteme und höheren Leistungsbedarf dieser gängigen Konstruktion erzielt wird.If the spring constant, that is to say the restoring force in favor of the pulse reproduction, is increased mechanically, a stronger drive is required as a result, which is achieved by means of large magnet systems and higher power requirements of this conventional construction.
Bei einem derzeitigen Wirkungsgrad von ca. 3 Prozent zwischen Eingangsleistung und in Schall umgesetzter Leistung, sind heute Aufnahmeleistungen z. B. im Bassbereich von bis zu mehreren tausend Watt erforderlich und üblich.At a current efficiency of about 3 percent between input power and sound converted power, today recording power z. B. in the bass range of up to several thousand watts required and common.
Beim Betrieb in horizontaler Membranlage bei sogenannten Downfire-Systemen, deren Schallabstrahlung tiefer Frequenzen nicht wie üblich über die senkrecht stehende Schallwand, sondern durch die Montage des Schallwandlers im Boden des Gehäuses abgegeben wird, führt bei diesen systembedingten teils schweren Membranen, die horizontale Montageart unweigerlich zu einem aus dem Zentrum versetzten Membrannullpunkt im Ruhezustand und zusätzlich durch unterschiedliche Beschleunigungsumsätze der angelegten Spannung zu einem unsymmetrischen Schwingungsverhalten um den mechanischen Nullpunkt der Membran.When operating in a horizontal membrane layer in so-called downfire systems, the sound radiation low frequencies is not delivered as usual on the vertical baffle, but by the installation of the transducer in the bottom of the housing leads to these systemic partly heavy membranes, the horizontal mounting method inevitably an offset from the center diaphragm zero point in the idle state and additionally by different acceleration conversions of the applied voltage to an asymmetrical vibration behavior around the mechanical zero point of the membrane.
Die Nachteile der mechanisch definierten Federkonstante/MembranrückstellkraftThe disadvantages of the mechanically defined spring constant / membrane restoring force
- – Lautsprecherparameter beeinflussende Sicke und Zentrierspinnenmechanik.- Beading parameters influencing bead and Zentrierspinnenmechanik.
- – Ausschließlich mechanisch definierbare, einmalig einstellbare Rückstellkraft.- Only mechanically definable, one-time adjustable restoring force.
- – Teils hohe mechanische Verluste.- Partly high mechanical losses.
- – Teils hohe erforderliche elektrische Ansteuerleistung zur Überwindung dieser mechanischen Federkonstante.- Partly high required electrical drive power to overcome this mechanical spring constant.
- – Veränderung der Lautsprecherparameter durch Alterung der mechanischen Membran- und Schwingspulenaufhängung.- Change in speaker parameters due to aging of the mechanical diaphragm and voice coil suspension.
- – Mögliche Langzeitermüdung der mechanischen Aufhängung beim Betrieb dieser Schallwandler in horizontaler Lage.- Possible long-term fatigue of the mechanical suspension during operation of these transducers in a horizontal position.
- – Mögliche Unsymmetrien des mechanischen Nullpunktes bei der Wiedergabe von Tönen in horizontaler Lage des Lautsprechers.- Possible asymmetries of the mechanical zero point during the reproduction of sounds in horizontal position of the loudspeaker.
Der elektrodynamische Schallwandler ist aufgrund seiner Konstruktion zur Wiedergabe von hörbarem Schall lediglich für einen eingeschränkten Frequenzbereich als ideal einsetzbar zu betrachten. Einen kompromisslosen Vollbereichslautsprecher, welcher den als hörbar definierten Frequenzbereich von 20 Hz bis 20 kHz mit nur einem Treiber/Lautsprecherchassis wiedergibt, gibt es nicht. Tiefe Töne erfordern große Membranen, mittlere Töne mittelgroße und der Hochtonbereich erfordert sehr leichte kleine Membranflächen.The electrodynamic transducer is due to its construction for the reproduction of audible sound only for a limited frequency range considered to be ideal. An uncompromising full-range speaker, which has the audible frequency range of 20 Hz to 20 kHz with only one driver / Loudspeaker chassis does not exist. Deep tones require large membranes, medium tones medium and high frequencies require very small, small membrane areas.
Heutige Breitbandlautsprecher nach dem elektrodynamischen Prinzip decken maximal den Bereich von 200 Hz bis 10 kHz linear ab und müssen für die Wiedergabe des kompletten Audio-Frequenzbereiches durch einen separaten Basslautsprecher und einen zusätzlichen Hochtöner unterstützt werden. Dies führt zur Konstruktion von sogenannten Mehrwege-Boxen, welche auf ihrer Schallwand 2, 3 oder mehr auf den jeweiligen Frequenzbereich spezialisierte einzelne Treiber/Schallwandler, besitzen. Ab einer Entfernung von ca. 1 Meter wird davon ausgegangen, dass sich die Schallwiedergabe dieser einzelnen Schallquellen zu einem homogenen Feld für den Hörer addiert. In der Praxis führen jedoch Laufzeitunterschiede durch die mechanischen unterschiedlichen Positionen der Treiber auf der Schallwand zu Einbußen der Räumlichkeit, welche durch die Position der Treiber auf der Schallwand zueinander stark beeinflusst wird. Ideal wäre ein Schallwandler, welcher den kompletten hörbaren Frequenzgang von einem einzigen akustischen Zentrum aus abstrahlt.Today's broadband speakers according to the electrodynamic principle cover a maximum of the range from 200 Hz to 10 kHz linearly and must be supported for the playback of the entire audio frequency range by a separate woofer and an additional tweeter. This leads to the construction of so-called multi-way boxes, which have on their
Sogenannten Koaxiallautsprechern, welche zwei elektrodynamische Lautsprecher mechanisch ineinander verschachteln, gehen schon in diese Richtung, bleiben jedoch weiterhin kompromissbehaftet. Zudem bauen diese Schallwandler mechanisch teils stark ins Innere des Gehäuses auf.So-called coaxial loudspeakers, which mechanically interlock two electrodynamic loudspeakers, are already going in this direction, but remain compromising. In addition, these transducers build mechanically partly strong inside the housing.
Die Erfindung und Ihre Vorteile gegenüber dem Stand der TechnikThe invention and its advantages over the prior art
Die diesem Antrag zugrundeliegende Erfindung, betrifft den Bereich der Schallwiedergabe hörbarer Frequenzen in Form von Schallwandlern (Lautsprechern) und beansprucht die Patente von technischen Neuerungen in den Bereichen des Membranantriebes (Hauptanspruch), der elektromagnetisch einstellbaren Federkonstante zur Membranrückstellung in den Membran-Schwingungsnullpunkt (Nebenanspruch) und die Neuerung der Realisierung einer Punktschallquelle mit segmentierter Membran und Antriebseinheit innerhalb eines gemeinsamen Schallwandlers (Nebenanspruch).The invention underlying this application relates to the field of sound reproduction audible frequencies in the form of sound transducers (speakers) and claims the patents of technical innovations in the areas of membrane drive (main claim), the electromagnetically adjustable spring rate for membrane return in the membrane oscillation zero point (additional claim) and the innovation of the realization of a point sound source with segmented membrane and drive unit within a common sound transducer (additional claim).
Die im Schutzanspruch 1 angegebene Erfindung nutzt die Verwendung eines Spulenpaares (
Idealerweise wird bei der Definition des Abstandes zwischen den beiden Spulen (
Im Zentrum dieses Magnetfeldes befindet sich ein auf einer Membran (
Das Zentrum, in welchem sich der Magnet (
Wird diese zweiteilige Spule nun mit einem Wechselstrom, welcher beide Spulen gegenphasig, entsprechend einer Maxwellspule durchfließt, gespeist, ergibt sich bei Betrachtung von Signal-Momentaufnahmen, in jedem Punkt des Wechselstroms, eine Anziehung der Pole von Spule und Permanentmagnet in Richtung der einen Teilspule und zeitgleich ein in der Amplitude identisches Abstoßen des Permanentmagneten von der zweiten Spule.If this two-part coil is now fed with an alternating current, which flows through both coils in opposite phase, according to a Maxwell coil, results in consideration of signal snapshots, in each point of the alternating current, an attraction of the poles of coil and permanent magnet in the direction of a partial coil and at the same time an identical in amplitude repulsion of the permanent magnet from the second coil.
Resultierend daraus schwingt die Membran (
Wird der Wechselstromanteil in Form eines niederfrequenten Audiosignals (NF) eingespeist, setzt dieser Schallwandler die Membranschwingungen in hörbare Töne um.If the alternating current component is fed in the form of a low-frequency audio signal (NF), this transducer converts the membrane vibrations into audible tones.
Die Vorteile dieses AntriebesThe advantages of this drive
- – Niedrige Leistungsaufnahme.- Low power consumption.
- – Hoher Wirkungsgrad durch fehlenden Luftspalt.- High efficiency due to missing air gap.
- – Vernachlässigbare mechanische Verluste.- Negligible mechanical losses.
- – Kein mechanisches Verkanten einer Schwingspule möglich.- No mechanical tilting of a voice coil possible.
- – Keine mechanisch schwingenden elektrischen Komponenten.- No mechanical oscillating electrical components.
- – Sehr gute Wärmeabführung und Möglichkeit zur externen Kühlung der Verlustleistung- Very good heat dissipation and possibility for external cooling of the power loss
- – Starke Gewichtsreduzierung von Tieftönern und Subwoofern.- Strong weight reduction of woofers and subwoofers.
Die als Nebenanspruch 1 angegebene Erfindung beschreibt eine Neuerung zur elektromagnetischen Einstellung der Federkonstante zur Membranrückstellung Bezug nehmend auf den Schallwandler unter 1, dem Hauptanspruch.The specified as a dependent claim 1 invention describes an innovation to the electromagnetic adjustment of the spring constant for membrane recovery reference to the transducer below 1, the main claim.
Werden die beiden Teilspulen dieser Spulenanordnung nun mit einem gleichsinnigen Gleichstrom durchflossen entsteht in Ihrem Zentrum eine statische homogene Vormagnetisierung, welche auf den im Zentrum schwebenden Magnet von beiden Teilspulen aus mit gleicher Kraft in Richtung der Membran auf diese wirkt.If the two sub-coils of this coil arrangement are now traversed by a DC current in the same direction, a static homogenous bias is produced in their center which acts on the magnet floating in the center from both partial coils with the same force in the direction of the membrane.
Diese Kraft ist je nach gemeinsamer Stromrichtung durch die Teilspulen, eine in beide Richtungen identische anziehende oder in beide Richtungen identische abstoßende Kraft, welche den Permanentmagneten stets in seinem Schwingungsnullpunkt zentriert. Diesen Vorgang bezeichne ich im Weiteren als Bias und den dazugehörigen Strom als Biasstrom. Die magnetische Kraft, welche von beiden Seiten auf den Permanentmagneten und somit auf die Membran einwirkt, ändert sich linear proportional zur Höhe des Bias-Stromes.This force is depending on the common direction of current through the coil sections, an identical in both directions attractive or in both directions identical repulsive force, which always centers the permanent magnet in its zero oscillation. I refer to this process as bias and the associated current as bias current. The magnetic force, which acts on the permanent magnet and thus on the membrane from both sides, changes linearly in proportion to the magnitude of the bias current.
Somit findet eine Rückstellung der Membran auf den mechanischen Nullpunkt zwischen zwei phasengedrehten NF-Signal-Auslenkungen ausschließlich elektromagnetisch statt.Thus, a return of the diaphragm to the mechanical zero point between two phase-rotated LF signal deflections takes place exclusively electromagnetically.
Diese Kraft, welche von beiden Seiten mit identischer Stärke auf den Permanentmagnet drückt, bezeichne ich als Membran- Rückstellkraft oder elektromagnetische Federkonstante.I refer to this force, which presses the permanent magnet from both sides with identical force, as membrane restoring force or electromagnetic spring constant.
Durch dieses Prinzip lässt sich die gewünschte Federkonstante des Systems frei wählbar einstellen.By this principle, the desired spring constant of the system can be freely selected.
Entgegen herkömmlichen elektrodynamischen Schallwandlern muss diese Federkonstante beim Anlegen/Überlagern des Audio NF-Signals nicht durch hohe zusätzliche elektrische Leistung überwunden werden.Contrary to conventional electrodynamic acoustic transducers, this spring constant does not have to be overcome by high additional electrical power when applying / superposing the audio AF signal.
Das überlagerte elektrische NF Signal erhöht das Magnetfeld der einen Spule und verringert zeitgleich das Magnetfeld der gegenüberliegenden Spule bei theoretisch konstant bleibender Leistungsaufnahme des Gesamtsystems.The superimposed electrical NF signal increases the magnetic field of a coil and simultaneously reduces the magnetic field of the opposite coil with theoretically constant power consumption of the entire system.
Dadurch wird die Membran in Bewegung versetzt, sprich der Punkt, in dem sich die identischen statischen Kräfte der Teilspulen (Elektromagnete) treffen und im Bezug auf die Membranbewegung aufheben, mit der NF-Signal Frequenz und Amplitude, verschoben.As a result, the membrane is set in motion, ie the point in which the identical static forces of the coil sections (electromagnets) meet and cancel with respect to the diaphragm movement, with the LF signal frequency and amplitude shifted.
Zusammenfassend findet eine wechselstrombedingte Verlagerung des Bias um den DC-Magnetfeld bedingten Schwingungsnullpunkt der Membran statt.In summary, there is an AC-induced shift of the bias to the DC magnetic field caused vibration zero point of the membrane.
Die Vorteile der elektrisch einstellbaren RückstellkraftThe advantages of the electrically adjustable restoring force
- – Ausschließlich elektrisch definierte und frei parametrierbare Federkonstante- Only electrically defined and freely configurable spring constant
- – Stufenlos, frei einstellbare Federkonstante- Stepless, freely adjustable spring constant
- – Theoretisch lastlose Schwingungsansteuerung des DC vormagnetisierten Systems.- Theoretically load-free vibration control of the DC premagnetized system.
- – Einstellmöglichkeit einer unsymmetrischen Federkonstante um den Nullpunkt für die horizontale Verwendung speziell als Basslautsprecher- Adjustment of an unbalanced spring constant around the zero point for horizontal use, especially as a bass speaker
- – Absolute Einflussfreiheit der Lautsprecherrückstellkraft bei Materialermüdung der Membranaufhängung.- Absolute freedom of influence of the loudspeaker restoring force during material fatigue of the diaphragm suspension.
Die als Nebenanspruch 2 angegebene Erfindung beschreibt eine Punktschallquelle mit segmentierter Membran und Antriebseinheit innerhalb eines gemeinsamen Schallwandlers basierend auf dem Hauptanspruch.Specified as a dependent claim 2 invention describes a point sound source with segmented membrane and drive unit within a common sound transducer based on the main claim.
Der beschriebene Antrieb und die frei einstellbare Federkonstante der Membran ermöglichen den Aufbau von Mehrwege-Punktschallquellen mit gemeinsamen akustischem und mechanischem Zentrum und unabhängig voneinander dem jeweiligen Übertragungsbereich optimierten schwingenden Teilsegmenten der angetriebenen schallerzeugenden Membran.The drive described and the freely adjustable spring constant of the membrane allow the construction of multi-way point sound sources with common acoustic and mechanical center and independently of the respective transmission range optimized vibrating sub-segments of the driven sound-generating membrane.
Ein mechanisches Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der
Es zeigen:Show it:
In den
Die Membran
Die Kabeldurchführung
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