DE2520838A1

DE2520838A1 - Piezoelektrisches lautsprechersystem

Info

Publication number: DE2520838A1
Application number: DE19752520838
Authority: DE
Inventors: Shouzo Kinoshita
Original assignee: Pioneer Electronic Corp
Current assignee: Pioneer Corp
Priority date: 1974-05-10
Filing date: 1975-05-09
Publication date: 1975-11-20
Also published as: DE2520838C2; US3978353A; JPS50142021U; JPS5220297Y2; GB1513784A

Description

PATENTANWÄLTE

HENKEL, KERN, FEILER&HÄNZEL

BAYERISCHE HYPOTHEKEN- UND

telex: 05.29 go2 HNKL D EDUARD-SCHMID-STRASSF 2 wechselbankMünchenNr.318-85111

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Pioneer Electronic Corporation
Tokio, Japan

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Piezoelektrisches Lautsprechersystem

Die Erfindung betrifft ein piezoelektrisches Lautsprechersystem unter Verwendung einer Membran aus einer piezoelektrischen Folie, die eine solche Elastizität und/oder Spannung besitzt, daß sie in einer Richtung senkrecht zu ihrer Ebene schwingt. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf ein piezoelektrisches Lautsprechersystem der genannten Art, bei dem eine Membran in zylindrischer Fo^n gehaltert und mit einer Anzahl von Schwingzonen versehen ist, bei denen jeweils Elektroden an beiden Flächen angeklebt oder aufgedampft sind, und welche einen Schalldruck durch Expansions- und Kontraktionswirkung der Membran entsprechend den an ihre Elektroden angelegten Signalen zu erzeugen vermag.

Es wurde bereits vorgeschlagen, einen Lautsprecher mit richtfreier Kennung durch Verwendung einer piezoelektrischen Membran, die in zylindrischer Form gehaltert ist, herzustellen. In diesem Zusammenhang wird mit der Erfindung dem Bedarf für einen Lautsprecher entsprochen, bei dem die Abstrahl- oder Richtcharakteristik öder -Gestalt

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zwischen richtfreier Charakteristik und Einrichtungscharakteristik ohne weiteres regelbar sind. Die Steuerung oder Regelung der Richtwirkung zur Gewährleistung.verschiedener Richtformen ist nicht nur zur Einstellung des Lautsprechers auf die jeweiligen Gegebenheiten, sondern auch, um der persönlichen Vorliebe eines Zuhörers oder den Bedingungen in einem Vorführraum zu entsprechen, wünschenswert.

Aufgabe der Erfindung ist damit die Schaffung eines piezoelektrischen Lautsprechersystems mit einer in zylindrischer Form gehalterten piezoelektrischen Membran mit einer Anzahl von Schwingbereichen, so daß durch eine einfache Betätigung die gewünschten Abstrahl- oder Richteigenschaften bzw. -formen entsprechend dem vorgesehenen Verwendungszweck oder der Vorliebe bzw. dem Geschmack eines Zuhörers erzielt werden können.

Bei diesem Lautsprechersystem sollen die Rxchteigenschaften oder -formen durch selektive Betätigung der Schwingbereiche variabel sein,

Außerdem sollen bei diesem Lautsprechersystem die Richteigenschaften oder -formen durch Anlegung von Signalen mit unterschiedlichen Phasen oder unterschiedlichen Pegeln an die jeweiligen Schwingbereiche veränderbar sein.

Weiterhin sollen bei diesem Lautsprechersystem die Rxchteigenschaften oder -formen durch Anlegung von Signalen mit unterschiedlichen Phasen und. Pegeln an die betreffenden Schwingbereiche änderbar sein.

Diese Aufgabe wird bei einem piezoelektrischen Lautsprechersystem erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß es eine zylindrische Trägeranordnung und eine oder mehrere piezoelektrische

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Folien mit an deren beiden Enden vorgesehenen Haltemitteln aufweist, daß die Haltemittel mit der zylindrischen Trägeranordnung in Eingriff stehen und die Folie(n) unter Ausübung einer vorbestimmten Zugspannung auf die Folie(n) um die Trägeranordnung herum halten und dabei eine zylindrische Membran bilden, und daß an jeder Seite der Membran mehrere Elektroden vorgesehen sind, welche Schwingzonen in einer der Zahl der Elektroden entsprechenden Zahl bilden.

Im folgenden sind bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Darstellung eines Lautsprechers mit Merkmalen nach der Erfindung,

Fig. 2 eine teilweise weggeschnittene perspektivische Darstellung einer Trägeranordnung gemäß der Erfindung,

Fig. 3 eine schematische Darstellung einer Abwicklung der Membrananordnung und einer Schaltungsanordnung für diese,

Fig. 4 eine graphische Darstellung der mit der Konstruktion gemäß Fig. 3 erzielten Abstrahl- oder Richtcharakteristik bzw. -formen,

Fig. 5 eine schematische Darstellung einer abgewandelten Ausführungsform der Schwingeinrichtung und einer Membrananordnung für diese,

B'ig. 6 eine schema tische Darstellung einer weiter abgewandelten Ausführungsform einer Membrananordnung nebst einer Schaltungsanordnung dafür,

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Fig. 7 eine graphische Darstellung der Richtcharakteristik bzw. -formen bei der Konstruktion gemäß Fig. 5 und

Fig. 8 eine Fig. 7 ähnelnde Darstellung der mit der Konstruktion gemäß Fig. 5 erzielbaren Richtwirkung.

In den Figuren sind einander entsprechende Abschnitte oder Teile jeweils _mit gleichen Bezugsziffern bezeichnet.

Die in den Fig. 1 bis 4 dargestellte Ausführungsform der Erfindung weist eine allgemein mit 1 bezeichnete Trägeranordnung sowie eine Membrananordnung 2 mit einer Membran in Form einer dünnen Folie aus einem hochmolekularen Polymeren auf, wobei diese Folie piezoelektrische Eigenschaften sowie Flexibilität besitzt und in zylindrischer (Wikkel-)Form durch die Trägeranordnung 1 gehaltert ist.

Wie in Fig. 2 beispielhaft veranschaulicht, besteht die Trägeranordnung aus zwei kreisförmigen Grundplatten 3 und 4, die parallel zueinander angeordnet sind, einem mit einer Anzahl kleiner öffnungen versehenen und die beiden Grundplatten 3 und 4 miteinander verbindenden, zylindrischen Tragglied 5, einem Schallschluckelement 6 aus einem Schallschluckmaterial, wie Glaswolle o.dgl., das in das zylindrische Tragglied 5 eingefüllt ist, und einem um den Umfang des zylindrischen Tragglieds 5 herumgelegten, elastischen Stützglied 7, welches der Membran für ihre Schwingung in Richtung senkrecht zu ihrer Ebene Elastizität und/oder Spannung verleiht.

Das Innere des zylindrischen Tragglieds 5 kann vorzugsweise durch aus Filz o.dgl. bestehende und parallel zu den Grundplatten 3 und 4 angeordnete Trennglieder 8 in mehrere Kammern unterteilt sein. Die Trennglieder 8 können dabei auch auf

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andere zweckmäßige Weise im Tragglied 5 angeordnet sein, z.B. parallel zur Achse des Trennglieds 5, so daß sie dessen Innenraum in kleine Kammern unterteilen. Die auf diese Weise gebildeten kleinen Kammern im Tragglied 5 bewirken eine zweckmäßige Erhöhung der Resonanzfrequenz des Tragglieds 5 unter Gewährleistung eines gewünschten Schallschluckeffekts mit einer kleineren Menge des Schallschluckelements 6 als im Fall eines zylindrischen Tragglieds ohne Trennwände.

Wie erwähnt und wie aus Fig. 3 hervorgeht, weist die Membrananordnung 2 eine Membran aus einer dünnen Folie aus einem hochmolekularen, einer Behandlung zur Verleihung piezoelektrischer Eigenschaften unterworfenen Polymeren, z.B. einer Folie aus Polyvinylidenfluorid (PVF2)» Polyvinylfluorid (PVF), Polyvinylchlorid (PVC), Nylon-11 oder PoIypeptid (PMG) usw., sowie an den Enden der Folie 9 angebrachte Halter 10 und 11 auf. Auf beide Seiten der Folie 9 sind als Elektroden Metallfilme aus z.B. Aluminium o.dgl. aufgeklebt oder aufgedampft. Die Folie 9 ist unter Halterung durch die Trägeranordnung 1 in zylindrischer Form um diese herumgelegt, so daß die Expansions- und Kontrakt!onsrichtung der Folie'' 9 der Umfangs richtung der Trägeranordnung 1 angepaßt ist, und sie ist an beiden Seiten mit zwei Elektroden versehen, die im Mittelbereich der Folienlänge in Umfangsrichtung der Folie 9 voneinander getrennt sind und Schwingbereiche 9A und 9B festlegen. Der Halter 10 für den Schwingbereich 9A weist an seiner einen Seite zwei leitende Elemente 13 und 14, wie gedruckte LeitungszUge o.dgl., auf, die, getrennt durch eine Nut oder ein Isolierelement 12, nebeneinander angeordnet sind. An das leitende Element 13 ist die Elektrode der Innenseite des Schwingbereichs 9A mit Hilfe eines leitfähigen Klebmittels angeschlossen, während mit dem leitenden Element 14 die Elektrode der Außenseite

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der Schwingzone 9B über einen Anschluß 15 verbunden ist. Auf ähnliche Weise ist der Halter 11 für den Bereich 9B mit leitenden Elementen 17 und 18 versehen, die· durch eine Nut oder ein Isolierelement 16 voneinander getrennt sind. Das leitende Element 17 ist mit der Elektrode der Innenseite der Schwingzone 9B .über ein leitfähiges Klebmittel verbunden, während das leitende Element 18 mit der Elektrode an der Außenseite der Schwingzone 9B verbunden ist.

Bei der Anbringung des Schwingglieds bzw. der Membrananordnung 2 an der Trägeranordnung 1 gemäß Fig. 1 wird der Halter 11 in einen in der Trägeranordnung 1 vorgesehenen Schlitz S eingehängt, worauf die Folie S unter Anpressung und Festlegung des elastischen Stützglieds 7 um dieses herumgelegt und anschließend der Halter 10 in den Schlitz S eingesetzt wird.

Da das Stützglied 7 bei dem auf beschriebene Weise erfolgenden Herumlegen der Folie 9 einem einseitigen oder lokal erhöhten Druck unterworfen werden kann_f kann sich die Schwierigkeit ergeben, daß die Membran nicht einwandfrei anliegt oder gleichmäßig um das Stützglied 7 herumgelegt ist. Diese Schwierigkeit läßt sich jedoch bei gleichseitiger Gewährleistung einwandfreier Spannung und/oder Elastizität um den gesamten Umfang des Stützglieds 7 herum dadurch lösen, daß die Membran entgegengesetzt zur Richtung des angelegten Drucks gerieben bzw. gestrichen wird.

Die leitenden Elemente 15* 14, 17 und 18 sind, wie in Fig. beispielhaft dargestellt, an eine Eingangsklemme 20 über mechanisch verblockte Schalter SW₁ und SW₂ angeschlossen, die so miteinander gekoppelt sind, daß sie gleichzeitig betätigbar sind. Aus dem Schaltbild von Fig. 3 geht hervor, daß dann, wenn die bewegbaren Kontakte der Schalter SW- und

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an einem festen Kontaktteil a anliegen, die Schwingbereiche 9A und 9B mit der gleichen Polarität parallel zueinander geschaltet sind. Die in zylindrischer Form gehalterte Polymer-Folie 9 schwingt dann derart, daß sie sich, wie bei einem Atmungsvorgang, auswärts und einwärts ausdehnt und zusammenzieht und dabei eine praktisch gleichmäßige Richtwirkung gewährleistet, d.h. eine ungerichtete bzw. richtfreie Charakteristik in einer Ebene senkrecht zur Achse der zylindrisch angeordneten Folie 9» wie dies in Fig. 4 bei χ angedeutet ist. Wenn die bewegbaren Kontakte an je einen festen Kontaktteil b umgelegt sind, sind die betreffenden Elektroden der Schwingzonen 9A und 9B an entgegengesetzte Polaritäten angeschlossen, so daß sich die von ihnen abgestrahlten Schallwellen an den Grenzabschnitten der Schwingzonen 9A und 9B gegenseitig aufheben und somit eine in Fig. 4 bei y angedeutete, einer "8" ähnelnden Abstrahl- oder Richtcharakteristik gewährleisten. Werden die beweglichen Kontakte an einen festen Kontaktteil c umgeschaltet, so wird nur an der Schwingzone 9B ein Eingangssignal angelegt, so daß die Richtwirkung auf die Zone 9B beschränkt ist und ein in Fig. 4 bei ζ angedeutetes Richtschema gewährleistet wird, wodurch der Lautsprecher einseitig gerichtete Eigenschaften erhält. Das etwa umgekehrt T-förmige Schallfeld in der Schwingzone 9A beruht auf der Erscheinung, daß die Schwingung in der Schwingzone 9B über das elastische Stützglied 7 und das Schallschluckelement 6 erscheint.

Bei der vorstehend beschriebenen Ausführungsform werden Eingangssignale selektiv an jede der Schwingzonen 9A und 9B angelegt, oder es werden Eingangssignale unterschiedlicher Phase an die betreffenden Schwingzonen 9A und 9B angelegt, um die Richtcharakteristik entsprechend zu variieren oder zu steuern. In diesem Zusammenhang ist zu beachten, daß weiter abgewandelte Richtcharakteristiken dadurch erzielt

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werden können, daß Eingangssignale mit unterschiedlichen Pegeln und unterschiedlichen Phasen an die betreffenden Schwingzonen 9A und 9B angelegt werden.

Fig. 5 zeigt eine abgewandelte Ausführungsform der Erfindung, bei welcher an die Schwingzonen 9A und 9B Eingangssignale mit verschiedenen Phasen und Pegeln anlegbar sind. Beispielsweise sind dabei ein Transformator 21 und ein Wählschalter SW, über zweckmäßige Schaltkreise miteinander verbunden, um an die Schwingzonen 9A, 9B Eingangssignale mit um einen Winkel von 180 elektrischen Graden voneinander abweichenden Phasen und unterschiedlichen Pegeln anlegen zu können. Der Transformator 21 weist dabei für jedes System eine Sekundärwicklung 21A und 21B auf, wobei die Wicklungszahl der Sekundärwicklung 21A das Doppelte derjenigen der Sekundärwicklung 21B beträgt. Die Sekundärwicklung 21A weist mehrere in vorbestimmten Abständen angeordnete Anzapfungen mit einer Mittelanzapfung auf. In dem den Transformator 21, den Wählschalter SW, und die Elektroden der jeweiligen Schwingzonen 9A und 9B miteinander verbindenden Schaltkreis ist die eine Ausgangsklemme der Sekundärwicklung 21B an das leitende Element 14 der Schwingzone 9A angeschlossen, während die andere Ausgangsklemme mit der Mittelanzapfung der Sekundärwicklung 21A, dem leitenden Element 13 der Schwingzone 9A und dem leitenden Element 17 der Schwingzone 9B verbunden ist. Jede Anzapfung der Sekundärwicklung 21A ist an einen zugeordneten festen Kontakt S₁ bis S₁₀ des Wählschalters SW, angeschlossen. Ein beweglicher Kontakt S_Q des Wählschalters SW, ist mit dem leitenden Element 18 der Schwingzone 9B verbunden. Bei dieser Konstruktion besitzt beim Umschalten des Wählschalters SW, z.B. durch Verbindung des beweglichen Kontakts S_Q mit dem festen Kontakt S₁ die an die Schwingzone 9A angelegte Signalspannung die gleiche Phase und den gleichen Pegel wie die an die Zone 9B angelegte

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Signalspannung, so daß sich eine richtfreie Abstrahlcharakteristik ergibt. Wenn der bewegliche Kontakt Sq auf den mit der Mittelanzapfung der Sekundärwicklung 21A verbundenen Kontakt S₇ umgelegt wird, wird die an die Elektrode der Schwingzone 9A angelegte Signalspannung zu Null, wobei nur die Zone 9B aktiviert wird, so daß sie eine einseitig gerichtete Abstrahlcharakteristik gewährleistet. Wenn weiterhin der bewegbare Kontakt S_Q mit dem Kontakt S., verbunden wird, besitzen die an die Zonen 9A und 9B angelegten Signalspannungen die gleichen Pegel, jedoch entgegengesetzte Phasen, so daß eine 8-förmige Abstrahlcharakteristik hervorgebracht wird. Die Kontakte S₁ - Sg sind vorgesehen, um die Pegel der Signalspannungen bei Aufrechterhaltung gleicher Phasen derselben zu variieren, während die Kontakte S_Q - S.^ zum Differenzieren der Pegel der Signalspannungen in den entgegengesetzten Phasen dienen. Die dabei erzielten Richtoder Abstrahlformen sind in den Fig. 7 und 8 veranschaulicht. Fig. 7 zeigt dabei die bei Verbindung des Kontakts Sq mit den Kontakten S₁ bis S₁- erzielte Abstrahlform, während Fig. 8 die bei Verbindung des Kontakts S_Q mit den Kontakten Sy - S₁₀ erzielte Abstrahlform zeigt. In den Fig. und 8 beziehen sich die die einzelnen Kennlinien bezeichnenden Ziffern auf die Dämpfungsgröße (in db) der an die Schwingzone 9Ar angelegten Signalspannung in bezug auf die an die Schwingzone 9B angelegte Signalspannung.

Fig. 6 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung, bei welcher eine elektronische Schaltung verwendet wird, um sowohl die Phasen (um einen Winkel von 180 elektrischen Graden) als auch die Pegel der an die Schwingzonen 9A und 9B anzulegenden Signale zu variieren. Genauer gesagt, sind dabei Signalsysteme A und B vorgesehen. Das Signalsystem A ist an den Kollektor eines Transistors Tr angeschlossen, während das Signalsystem B mit dem Transistor Tr über einen

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Wählschalter SW^ verbunden ist, der seinerseits zwischen Kollektor und Emitter des Transistors Tr eingeschaltet und somit selektiv entweder mit dem Kollektor oder mit dem Emitter des Transistors Tr verbindbar ist. Das Signalsystem A ist über einen Verstärker 22A mit den Elektroden der Schwingzone 9A verbunden, während das Signalsystem B über einen Regelwiderstand 23 und einen Verstärker 22B an die Elektroden der Schwingzone 9B angeschlossen ist. Die an die Schwingzonen 9A und 9B angelegten Signale besitzen die gleiche Phase, wenn der bewegliche Kontakt des Wählschalters SW/ mit einem Kontakt a verbunden ist, und sie besitzen die entgegengesetzten Phasen (unter Einhaltung eines Winkels von 180 elektrischen Graden), wenn dieser bewegliche Kontakt an einem Kontakt b anliegt, wobei die Pegel der Signalspannungen durch Einstellung des Regelwiderstands 23 variiert werden.

Wie vorstehend beschrieben, können verschiedene oder vielfältige Rieht- oder Abstrahlformen bzw. -Charakteristiken dadurch erzielt werden, daß Signale selektiv an eine der Schwingzonen 9A oder 9B angelegt werden oder daß die betreffenden Zonen 9A und 9B mit Signalen unterschiedlicher Phasen und/oder unterschiedlicher Pegel gespeist werden, so daß sich ganz spezielle Klangeigenschaften und besondere akustische Wirkungen ergeben.

In diesem Zusammenhang ist noch zu beachten, daß. um die Trägeranordnung mehrere Folienelemente unter Bildung einer zylindrischen Membran herumgelegt werden können, um eine Anzahl von Schwingzonen zu bilden, anstatt nur ein einziges Folienelement der beschriebenen Art mit mehreren Schwingzonen zu verwenden. Wahlweise können mehrere Folienelemente mit jeweils mehreren Schwingzonen unter Bildung einer zylindrischen Membran um die Trägeranordnung herum-

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gelegt werden, um weiter verfeinerte, wandelbare Richtoder Abstrahlcharakteristika zu gewährleisten.

Schließlich ist noch zu erwähnen, daß das elastische Stützglied 7 beim erfindungsgemäßen Lautsprecher nicht unbedingt erforderlich ist. Vielmehr kann dieses elastische Stützglied durch ein beliebiges anderes Mittel ersetzt werden, welches einer Membran Elastizität und/oder Spannung zu verleihen vermag.

Zusammenfassend wird mit der Erfindung also ein verbessertes piezoelektrisches Lautsprechersystem mit einer in zylindrischer Form gehalterten piezoelektrischen Membran mit mehreren Schwingbereichen bzw. Schwingzonen geschaffen, wobei die Rieht- oder Abstrahleigenschaften je nach Erfordernis oder Vorliebe des Zuhörers leicht regel- oder steuerbar sind.

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Claims

Patentansprüche

M J Piezoelektrisches Lautsprechersystem, dadurch gekennzeichnet , daß es eine zylindrische Trägeranordnung (1) und eine oder mehrere piezoelektrische Folien (2) mit an deren beiden Enden vorgesehenen Haltemitteln (10, 11) aufweist, daß die Haltemittel mit der zylindrischen Trägeranordnung in Eingriff stehen und die Folie(n) unter Ausübung einer vorbestimmten Zugspannung auf die Folie(n) um die Trägeranordnung herum halten und dabei eine zylindrische Membran bilden, und daß an jeder Seite der Membran mehrere Elektroden (13, 14, 17, 18) vorgesehen sind, welche Schwingzonen (9A, 9B) in einer der Zahl der Elektroden entsprechenden Zahl bilden.
2. Lautsprechersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an die einzelnen Schwingzonen Signale unterschiedlicher Phasen anlegbar sind.
3. Lautsprechersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an die betreffenden Schwingzonen Signale unterschiedlicher Pegel anlegbar sind.
4. Lautsprechersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an die einzelnen Schwingzonen Signale unterschiedlicher Phasen und Pegel anlegbar sind.

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