DE2222167B2 - Elektroakustischer Wandler - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen elektroakustischen Wandler mit einer Membran, deren zumindest eine Seite einen elektrischen Leiter trägt, der aus mehreren parallel mit Abstand zueinander angeordneten Leiterteilen besteht, und mit einer feststehenden, mit Abstand zu dem jeweiligen Leiter angeordneten Magneteinheit, die aus mehreren, ein zum Leiter rechtwinklig verlaufendes Magnetfeld in der Membranebene erzeugenden Permanentmagneten besteht. Solche Wandler werden vorzugsweise für Lautsprecher, Kopfhörer und Mikrofone verwendet und sind z.B. aus der DE-PS 06 482 bekannt.

Lautsprecher hatten ursprünglich kleine und starre Membranen sowie Hörner zur Verstärkung des Schalls, den die Membranen erzeugten, wenn sie durch elektrische Signale in Vibrationen versetzt wurden. Die Einführung der großen und konischen Membran bedeutete einen wichtigen Fortschritt in der naturgetreuen Tonwiedergabe, obwohl noch viele Nachteile vorhanden waren. Eine mit der konischen Membran auftretende Schwierigkeil besieht darin, daö durch die Unterschiede der Durchmesser des Umfanges und des Mittelteils, der mit der Treibereinheit verbunden ist, nicht an jeder Stelle der Membran dieselbe Schwingungsgeschwindigkeit auftritt. Unterschiedliche Bereiche haben eine Resonanz mit einem komplizierten Schwirigungsmuster. Viele dieser Schwingungen haben eine ungenaue Amplitude und enthalten parasitäre Freciuenz.cn. Ein Konus hai ferner eine beachtliche Massenträgheit und ein mechanisches Moment, so daß ein schlechtes Schwingungs- und Übertragungsverhalten die Folge ist.

Die Bemühungen auf diesem Gebiet laufen deshalb darauf hinaus, eine Membran zu schaffen, auf der jeder beliebige Punkt direkt steuerbar ist

Der erste entsprechend konstruierte Lautsprecher war der Platthaller-Lautsprecher, der eine flexible, metallische Membran enthielt die an zwei einander gegenüberliegenden Kanten aufgehängt und unter Spannung gehalten war. Sie trug auf ihrer einen Seite einen Kupferstreifen, der in regelmäßigen Intervallen umgebogen war, so daß eine Anordnung in Reihe geschalteter und mit Abstand zueinander parallel angeordneter Leiter entstand. Ferner war eine Anordnung aus Magnetpolen auf der mit dem Kupferstreifen versehenen Membranseite vorgesehen, wobei zwischen jeweils einem Paar benachbarter Leiter ein Magnetpol angeordnet war und einander benachbarte Magnetpole entgegengesetzte Polarität hatten. In einer Ausführungsform trugen die Magnetpole Feldpulen, in einer anderen Ausführungsform war die Membran durch Feldspulen umgeben, wobei jeweils eine zwischen zwei benachbarten Polen lag. Die Feldspulen hatten eine parallel zur Membranebene liegende gemeinsame Achse. Der Versuch, <dje Größe und das Gewicht der Anordnung zu verringern, führte zur Verwendung von Permanentmagneten anstelle der Magnetpole und Feldspulen. Weitere Änderungen wurden zum Ersatz der flexiblen Metallinembran durch eine flexible, nicht metallische Platte durchgeführt. Ferner wurden Leitergruppen auf beiden Seiten der Membran angeordnet.

Eine spätere Entwicklung verwendet eine leichte, jedoch starre Membran, die in einer Ausführungsform aus einer dicken Schicht aus aufgeblähtem Polystyrol besteht, in deren eine Seite mehrere parallele Vertiefungen eingebracht sind, so daß parallele Wandungen entstehen, an deren Oberseiten Metallstreifen vorgesehen und miteinander in Reihe geschaltet sind, die den Leiter bilden.

Diese Lautsprecher erzielen sehr gute Ergebnisse und haben eine flache Form, so daß sie sehr gut für beliebige Anwendungsfälle geeignet sind. Insbesondere sind keine besonderen, ihnen angepaßte Gehäuse erforderlich. Sie haben jedoch den Nachteil, daß ihr Verhalten bei niedrigen Frequenzen schlechter als bei hohen Frequenzen ist Um diesen Nachteil zu vermeiden, wurde ein Wandler konstruiert, dessen Membran auf einer Seite zumindest einen elektrischen Leiter trägt, der aus mehreren mit Abstand zueinander und parallel angeordneten Leiterteilen besteht. Ferner ist eine feststehende Magneteinheit mit Abstand zu dem Leiter vorgesehen, die aus einer Reihe Permanentmagnete gebildet ist. Diese sind mit ihren Polen entsprechend einem vorgegebenen Polaritätsmuster angeordnet wobei ein Magnetpol längs eines jeden Zwischenraumes zwischen benachbarten Leitcrteilen angeordnet ist. Außerdem ist eine Gegenplatte aus magnetischem Material vorgesehen, an der die Magnete befestigt sind. Die Teile dieser Platte zwischen zumindest ausgewählten Paaren benachbarter Magnete der Magnetreihe sind perforiert.

Ein weiterer Wandler arbeitet nach einem ähnlichen Grundprinzip, jedoch besteht die Magneteinheit aus einem relativ dicken Körper aus anisotropem, gesiiilcrtem permanentiriiignetischem Oxidmaterial.

Mit den üblichen magnetischen Stoffen, wie sie bisher verwendet wurden, ist es nicht möglich, eine flache Magnelanordnung zu bilden, da sich diese selbst

entmagnetisiert. Diese Stoffe sind auch kostspielig zu bearbeiten und in Slreifenform extrem brüchig. Ferner sind die zum Luftdurchgang durch den hinteren Teil der Magneteinheit vorgesehenen Perforationen oft die Ursache für unerwünschte Resonanzen bei hohen Frequenzen.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen elektroakustischen Wandler zu schaffen, der dünner aufzubauen ist als die bisher bekannten Anordnungen und trotzdem ein gutes Frequenzverhalten ohne unerwünschte Resonanzen auch bei hohen Frequenzen zeigt

Ein elektroakustischer Wandler der eingangs genannten Art ist zur Lösung dieser Aufgabe erfindungsgemäß derart ausgebildet, daß die Permanentmagnete aus in einer nicht magnetischen Matrix eingebetteten magnetisierbaren Teilchen gebildet sind.

Durch die Erfindung ist es möglich, die Permanentmagnete sehr flach auszubilden, so daß der Wandler insgesamt dünner als die vorbekannten Anordnungen ist. Die Permanentmagnete sind trotzdem einfach herzustellen, da sie im Hinblick auf ihre beiden Komponenten nicht mehr brüchig sind. Auch können sie in Richtung ihrer Dicke magnetisiert werden, ohne daß eine selbsttätige Entmagnetisierung zu befürchten ist.

Die Magnete können an einer Grundplatte aus magnetischem Material befestigt sein, wobei Stellen der Grundplatte zwischen zumindest ausgewählten Magneten perforiert sind.

Die Membran kann gekrümmt sein, um den Abstrahlungswinkel zu vergrößern, die Magneteinheiten sind dann entsprechend gekrümmt.

Jede- Leiter kann aus einem einzelner. Streifen gebildet sein, der in regelmäßigen Abständen umgebogen ist, so daß eine Reihe in Serie geschalteter Leiterteile entsteht. Bei dieser Ausführung können einander benachbarte Pole der Magnetreihe einander entgegengesetzte Polarität haben. Alternativ können die Lciicrtcilc auch parallel oder scric-parallel geschaltet sein.

Die Membran kann einen Wellenquerschnitt haben, wobei dann die Wellenlinien rechtwinklig zu der Längsrichtung der Leiterteile verlaufen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden anhand der Figuren beschrie ben. Es zeigt

F i g. I eine perspektivische Darstellung eines nach der Erfindung aufgebauten Wandlers in teilweise gebrochener Darstellung,

F i g. 2 den Schnitt des Wandlers mit einer Membran, die nur einen Leiter trägt und auf deren beiden Seiten Magneteinheiten angeordnet sind,

Fig. 3 den Schnitt eines Wandlers mit einer wellenförmigen Membran rechtwinklig zur Schnittrichtung gemäß F i g. 2,

F i g. 4 einen Wandler mit einer zweiten Membran,

Fig. 5 eine Anordnung zur Vierkanal-Schallwiedergabe und

F i g. b eine schcmatischc Darstellung des Aufbaus der Magnetsircifen.

In Fig. I ist eine Membran 1 dargestellt, die einen Leiter 2 in Form eines flachen Streifens trägt, welcher aus einer Gruppe in Reihe geschalteter und parallel zueinander mit Absland angeordneter Leiterteile 2Λ — 2//gebildet ist.

Eine Magneteinncit .3 besteht aus einer Reihe von Magneten 4, wobei jeweils ein Magnet längs eines jeden Zwischenraums zwischen benachbarten l.eiterteilen 2/1 — 2// angeordnet ist. Die Magnete 4 sind an einer Grundplatte 5 aus magnetischem Material, beispielsweise aus Wcicheisenblech, befestigt. Die Teile der Grundplatte 5 zwischen benachbarten Magneten 4 sind mit Perforationen 6 versehen. Aus F i g. 2 ist zu erkennen, daß bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel die einander benachbarten Magnete einer jeden Reihe einander entgegengesetzte Polarität haben. In Fig.3 ist eine wellenförmige Membran 4 dargestellt, deren Wellenlinien rechtwinklig zu den parallelen Leiterteilen verlaufen.

In der Praxis wird ein beispielsweise mit einem Tonverstärker erzeugter Wechselstrom dem Leiter 2 zugeführt. Das Polaritätsmuster der Magnete 4 ist so vorgesehen, daß der Magnetfluß zwischen benachbarten Polpaaren entsprechend der Richtung des Stromflusses in den zugeordneten Leiterteilen 2A—2H senkrecht zu diesen verläuft, so daß eine Gesamtwirkung erzeugt wird, die ein gleichmäßiges Anziehen der gesamten Membran 1 bzw. deren Abstoßung durch die Magneteinheit oder Magneteinheite!.4 zur Folge hat. Wenn der Wandler Magneteinheiten auf beiden Seiten der Membran enthält, so bewirkt die eine eine Anziehung des Leiters 2 und damit der Membran 1, während gleichzeitig die andere eine Abstoßung erzeugt.

Die perforierte Grundplatte 5 ermöglicht einen freien Durchgang der Luft und damit ein wesentlich verbessertes Verhalten bei tiefen Frequenzen. Durch geeignete Formgebung und Größe der Perforationen, beispielsweise durch ihr Fehlen in gewissen Bereichen, ist es möglich, eine Dämpfungswirkung und damit eine lokale Abänderung der akustischen Impedanz zu erzeugen, wodurch unerwünschte Resonanzen beeinflußt werden können.

Die Membran ist mit einander gegenüberliegenden Kanten 7, jedoch nicht mit den Kanten 8, freitragend aufgehängt. Das Verhalten bei tiefen Frequenzen ist durch eine Wellenform der Membran parallel v.c der Aufhängung verbessert, d. h. rechtwinklig zur Richtung der Leiter und der plasto-magnetischen Streifen. Die WelKing hat in einem vorzugsweisen Ausführungsbeispiel dreieckförmigen Querschnitt und in den Wellen einen eingeschlossenen Winkel von ²/j τι Bogeneinheiten. Ein Schnitt einer wellenförmigen Membran ist in Fi g. 3 dargestellt.

Bekanntlich werden die höheren Frequenzen einer physikalisch großen Schallquelle »strahlenförmig« ausgerichtet, so daß zur Verbreiterung der Abstrahlung Hochlonlautsprecher mit kleinem Durchmesser verwendet werden. Mit lincm Wandler nach der Erfindung ist es möglich, eine zweite Membran vor der Hauptmembran nahe der vorderen Gruppe der Magnc.e anzuordnen, um den Hochfrequenzbereich entsprechend zu beeinflusssen. Da die Amplitude der Membranbewegung oei hohen Frequenzen viel kleiner als bei niedrigen Frequenzen ist, kann diese Hochtonmembran sehr nahe bei den Magneten angeordnet sein, so daß sie in einem Bereich stärkeren Magnetflusses liegt und einen höheren Wirkungsgrad hat, der die Auswirkungen ihrer kleineren Abmessungen kompensiert. Vorzugsweise wird sie auch gespannt, Ua ein »Durchhängen« zur Verbesserung der Wiedergabe tiefer Töne für diese Membran nicht erforderlich ist. Die Spannung kann die Wirkung eines mechanischen P'iltcrs bzw. einer Frequenzweiche haben, so dali die beiden Membranen direkt mit einem Verstärker verbunden werden können, ohne eine elektrische Frequenzweiche zwischenzuschallcn. Eine geeignete Anordnung ist in

F ig. 4 dargestellt, dabei ist eine große Membran 41 nahe einer Hochtonmembran 42 und Magneten 43 angeordnet. Die Spannung wird der Hochionmembran in der dargestellten Pfeilrichtung A erteilt.

Das polare Verhalten des Wandlers kann durch Krümmung oder Biegung der Magnetanordnung geändert werden.

Die Möglichkeit zur Steuerung des polaren Verhaltens zeigt einen weiteren Vorteil der Erfindung. Bei herkömmlichen Kopfhörern ist es zur Beibehaltung von Ticftonwicdcrgabc erforderlich, den Wandler mit dem Ohr über eine akustische Abdichtung zwischen dem Gehäuse und dem Kopf zu koppeln. Bei nach der Erfindung aufgebauten Wandlern zeigt sich, daß ein befriedigendes Tieftonverhalten auch bei einen Luftspalt zwischen dem Kopf und dem Wandler vorhanden ist. Dies ermöglicht nicht nur die Wahrnehmung äußeren Schalls, beispielsweise einer Türglocke, sonrlorr» .

i Atf* V r-,ηκ I riiL· I \t\t\

i.-h IY,

quadrasonische Schallwiedergabe eignen. In diesem System werden vier Kanäle anstelle der zwei Kanäle der üblichen stereophonen Wiedergabe verwendet. Mine typische Anordnung ist in Fig. 5 gezeigt, bei der die Hörmuscheln 5t/, und 51/? auf jeder Seite des Kopfes 52 angeordnet sind. Jede Hörmuschel hat einen vorderen Teil Fund einen hinteren Teil B. die jeweils einen Wandler mit Richtwirkung enthalten, der auf das jeweilige Ohr 53/., 53/? arbeitet, mit dem er über einen Luftspalt 54 gekoppelt ist.

Die streifenartige Konstruktion der Magnete und der Leiter führt zu mehreren zusätzlichen Konstruktionsmöglichkeiten. Beispielsweise kann durch asymmetrische Anordnung der Leiter und der entsprechenden Magnete die Antriebskraft für die Membran inhomogen erzeugt werden. Dies kann zur Auslöschung der Wirkung harmonischer Verzerrungen durch Erzeugung von Stellen mit Schwingungsbäuchen analog dem Streichen eines Saiteninstruments zur Vermeidung dissonanter Harmonischer verwendet werden. F.inc komplementäre Wirkung kann durch Anordnung geschlossener Lciterschleifen an geeigneten Stellen auf der Membran erzielt werden, durch die eine Dämpfung mittels Wirbelströmen erzeugt wird.

Ms ist möglich, die Feldspule in Form mehrerer Spulenelemente aufzubauen und diese in verschiedener Serie-Parallelkombinationen zur Änderung der Impe dan/ miteinander zu verbinden.

Mine wichtige Figenschaft eines Wandlers nach der Erfindung besteht in der Verwendung der bereits beschriebenen plastomagnctisehcn Werkstoffe, die Konstruktion eines solchen Magneten ist in F i g. 6 dargestellt. Das Material wird durch Imprägnierung von Körnern aus magnetisierbarcm Material in einer nirhtmapnptisrhpn Malri* hprapclplll F^:inp vpr'ivnntn

Matrix ist Ncoprcnkautschuk. Mine dicke Strcifcnanordniing wird durch Verbindung mehrerer dünner Miementarschichten hergestellt. Das Material wird durch mechanische Bearbeitung anisotrop gemacht, wobei das magnetische Material 6.3 durch die mechanische Minwirkung ausgerichtet wird. Das ausgehärtete Material kann beispielsweise mit einem Messer leicht in Streifen 64 geschnitten werden, und es ist zur HcrsteVung von Wandlern mit befriedigenden Mrgcbnisscn geeignet, obwohl seine Permeabilität nicht so groß ist wie beispielsweise bei Ferriten. Ferner ist es extrem stabil, während Ferrite brüchig sind. Dünne Schichten können in Richtung ihrer Dicke magnetisiert werden, während sich herkömmliche Stoffe in solcher Formgebung selbst entmagnetisieren.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Elektroakustischer Wandler mit einer Membran, deren zumindest eine Seite einen elektrischen Leiter trägt, der aus mehreren parallel mit Abstand zueinander angeordneten Leiterteilen besteht, und mit einer feststehenden, mit Abstand zu dem jeweiligen Leiter angeordneten Magneteinheit, die aus mehreren, ein zum Leiter rechtwinklig verlaufendes Magnetfeld in der Membranebene erzeugenden Permanentmagneten besteht, dadurch gekennzeichnet, daß die Permanentmagnete (4) aus in einer nicht magnetischen Matrix eingebetteten magnetisierbaren Teilchen gebildet sind.

2. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (1) aus einem nicht magnetisierbaren Material besteht, das keine magnetische Schirmwirkung erzeugt, daß der Leiter (2) auf einer Membranseite angeordnet ist und daß auf beiden Membranseiten Magneteinheiten (4, 5) vorgesehen sind.

3. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (1) freitragend angeordnet ist

4. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (1) zur Vergrößerung des Abstrahlungswinkels gekrümmt ist und daß die jeweilige Magneteinheit (4,5) mit einer entsprechenden Krümmung versehen ist.

5. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (1) einen Wellenquerschnitt hat.

6. Wandler nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellenlinien rechtwinklig zu der Längsrichtung der Leiterteile (2/4 — 2/ή) verlaufen.