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Elektroakustischer Wandler
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Die Erfindung betrifft einen elektroakustischen Wandler, beispielsweise
einen Kopfhörer oder Lautgprecher, beziehungsweise ein Mikrofon.
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Elektroakustische Wandler dienen zur Umwandlung von Schallenergie
in elektrische Energie oder umgekehrt. Ein wesentlicher Bestandteil bisher bekannter
Wandler ist ein schwingfähiges System in Fori einer Membran und einer mit dieser
verbundenen Spule, die beweglich im Feld eines starken Dauermagneten angeordnet
ist.
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Ferner sind Lautsprecher bekannt, die eine fest angeordnete Erregerspule
sowie ein fest angeordnetes Dauermagnetsystem besitzen. In dieser Anordnung dient
ein zwischen den Polschuhen des Dauermagnetsystems im Magnetfeld der Erregerspule
schwingfähig angeordnetes Plättchen aus weichmagnetischem Material dazu, die Membran
zu erzwungenen Schwingungen anzuregen.
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Aufgabe der Erfindung ist es, den Aufbau der eingangs erwähnten elektroakustischen
Wandler unter Vermeidung von beweglichen Stromleitungen und fest angeordneten Magnetsystemen
weiter zu vereinfachen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen elektroakustischen
Wandler gelöst, bei dem die Spule fest und die Membran und das Dauermagnetelement
synchron schwingfähig angeordnet sind.
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Durch die erfindungsgemäße Lösung gelingt es in überraschend einfacher
Weise, das Dauermagnetelement unmittelbar im schwingfähigen Teil des Wandlersysteos
zu integrieren. Durch Vermeidung beweglicher Stromleiter und eines fest angeordneten
Magnetsystems ist es möglich, den Aufbau elektroakustischer Wandler erheblich zu
vereinfachen sowie das Gewicht und die Abmessung des Wandlern zu reduzieren.
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Damit das schwingfähige Dauermagnetsystem nicht zu träge ist, sollten
vorzugsweise verhältnismäßig kleine Dauermagnetelemente verwendet werden. Um dennoch
eine hinreichend starke Schwingungs anregung zu erreichen, sollte das Dauermagnetmaterial
vorzugsweise eine besonders hohe Koerzitivfeldstärke und ein hohes maximales Energieprodukt
aufweisen. Mit Vorteil können Kobalt und Seltenerdnetalle enthaltende Legierungen
verwendet werden, beispielsweise eine Legierung aus Kobalt und Samarium mit der
ungefähren Zusammensetzung Co5Sm. Aber auch Dauermagnetlegierungen anderer Zusammensetzungen
sowie kunststoffgebundene oder oxidische Werkstoffe mit hohen Koerzitivfeldstärken
sind für diesen Zweck ebenso geeignet.
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Die Dauermagnetelemente können vorteilhaft als flache Plättchen ausgebildet
sein. Bei einer bevorzugten Ausführungsfor und der Vervendung hochkoerzitiver Materialien
kann das Dauermagnetelement senkrecht zur Membranoberfläche magnetisiert sein. Dabei
kann das Dauermagneteleinent vorteilhaft direkt auf der Membran oberfläche befestigt
und die Spule diesem gegenüber angeordnet sein. Diese Anordnung zeichnet sich durch
einen besonders einfachen Aufbau aus. Zur Erreichung einer starken Schwingungsanregung
ist es ferner günstig, wenn das Hagnetfeld in der Spule parallel zu der Magnetisierungsrichtung
des Dauermagneteleaentes verläuft. Wenn es auf einen guten Rückschluß des Spulenfeldes
ankommt, oder wenn insbesondere eine Abschirmung magnetischer Streufelder nach außen
hin erreicht werden soll, kann die Membran vorteilhafterweise auch aus einem ferromagnetischen
Material bestehen, beispielsweise aus einer etwa 50 Gew ffi Kobalt enthaltenden
Kobalt-Eisen-Legierung mit hoher Sättigungsinduktion.
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Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform können ein oder mehrere
Dauermagnetelemente innerhalb der Spule angeordnet und mit der Membran über Koppelkörper
verbunden sein. hierbei ist es besonders vorteilhaft, wenn sich die Dauermagnetelenente
in einem Magnetfeld befinden, dessen Feldrichtung parallel zur
Membranoberfläche
verläuft. Die Koppelkörper können aus einem starren Material mit ausreichend hohen
Festigkeitswerten bestehen. Vorzugsweise ist hierfür ein drahtförmiges, unmagnetisches
Material geeignet, beispielsweise aus einer Kupfer-Beryllium-Legierung mit bis zu
2 Gew.% Beryllium. Es können aber auch andere unmagnetische Werkstoffe verwendet
werden.
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Bei Verwendung von Dauermagnetmaterial mit nicht eo hoher Koerzitivfeldstärke
kann es ferner vorteilhaft sein, ein parallel zur Membranoberfläche magnetisiertes
Dauermagnetelement direkt auf dieser zu befestigen. Die dem Dauermagnetelement gegenüber
angeordnete Spule mit ebenfalls parallel zur Membranoberfläche verlaufender Feldrichtung
kann bevorzugt zusätzlich noch einen weichmagnetischen Kern aufweisen, der in Art
von Pol schuhen an das Dauermagnetelenent herangeführt ist. Auf diese Weise läßt
sich auch mit Dauermagneteleinenten aus einem Material geringerer Koerzitivfeldstärke,
beispielsweise solchen, die unter der Bezeichnung AlNiCo bekannt sind, eine hinreichende
Schwingungsanregung erreichen.
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Zur Vermeidung eines teilweisen magnetischen Kurzschlusses bei Verwendung
einer aus einem ferromagnetischen Material bestehenden Membran sollte diese bevorzugt
aus einem nicht ferromagnetischen Material bestehen.
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Anhand einiger Figuren und Ausführungsbeispiele soll die Erfindung
noch näher erläutert werden.
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Die Fig. 1 bis 6 zeigen schematisch einige beispielhafte Ausführungsformen
des erfindungsgemäßen Wandlers.
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Fig. 1 zeigt einen elektroakustischen Wandler, wobei mit 11 die Membran
bezeichnet ist, auf deren Oberfläche ein flaches Daueroagnetelenent 12 mit senkrecht
zur Oberfläche der Membran verlaufender Magnetisierungarichtung angeordnet ist.
Das Dauermagnetelement
12 kann beispielsweise mittels eines Klebers
auf der Membranoberfläche befestigt sein. Die Membran 11 kann vorteilhaft entweder
aus einem nicht ferromagnetischen Material, wie zum Beispiel einem Kunststoff, oder
aus einem ferromagnetischen Material bestehen. Sie wird vorzugsweise aus einem ferromagnetischen
Material bestehen, wenn es auf einen guten Rückschluß des Spulenfeldes ankommt,
oder wenn eine Abschirmung magnetischer Streufelder nach außen erreicht werden soll.
Die relativ starre Membran 11 ist an ihren äußeren Rand bei 14 weich gelagert. Gegenüber
dem Dauermagnetelement 12 ist eine eisenlose Flachspule 13 angeordnet, die über
Anschlüsse 15 mit einer elektrischen Erregerquelle, zur Beispiel dem Ausgang einer
Verstärkers, verbunden sein kann und deren Feldrichtung parallel zur Magnetisierungsrichtung
des Dauermagnetplättchens 12 verläuft Wesentlich ist, daß durch das Dauermagnetelement
über der Spule ein möglichst starkes magnetisches Feld erzeugt wird, um eine ausreichende
Kraftwirkung zwischen den wechselnden Spulenströmen und dem Dauermagnetplättchen
in Richtung der Spulenachse zu erhalten. Befindet sich das Wandlersystem in der
Ruhelage (Erregerstrom Null) werden keine Kräfte auf die Membran ausgeübt, ähnlich
wie bei den sogenannten "Dynamischen Systemen1,, jedoch im Gegensatz zu den bisher
bekannten sogenannten "Magnetischen Systemen".
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Durch eine Spule mit einem ferromagnetischen Kern oder durch einen
entsprechenden weichmagnetischen Rückschluß kann die Membran aber auch eine Vorspannung
erhalten.
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Bei dem in Fig.2 dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Dauermagnetelement
22 im Zentrum der erregenden Spule 23, also im Bereich eines maximalen homogenen
Erregerfeldes, angeordnet.
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Die Magnetisierungsrichtung des Dauermagneten ist durch Pfeile vor
Süd- zum Nordpol angedeutet. Die Feldlinien stehen senkrecht
zur
Spulenachse, also senkrecht zum erregenden Magnetfeld der Spule. Je nach Stärke
der Spulenströme wirkt durch das erregende Feld ein Drehtmoment auf den Dauermagneten
ein. Wird das Dauermagnetplättchen 22 an einem Ende 25 federnd oder drehbar gelagert,
so bewirkt ein in ihm induziertes Drehmoment eine Auslenkung des mit der Membran
21 verbundenen Koppelkörpers 26, wobei die mit ihrem äußeren Rand bei 24 gelagerte
Membran 21 zu erzwungenen Schwingungen angeregt wird.
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Bei Verwendung von zwei Dauermagnetelementen mit entgegengesetzte
Hagnetisierungsrichtung (Pfeile zeigen jeweils in Richtung des magnetischen Nordpols)
erhält man eine symmetrische Anordnung, die in Fig.3 dargestellt ist. Die Membran
31 ist an ihrem Rand bei 34 weich gelagert. In einer zylindrischen Spule 33 mit
parallel zur Membranoberfläche verlaufender Feldrichtung sind zwei Dauermagnetelemente
32 angeordnet, die miteinander über einen Koppelkörper 36 verbunden und bei 35 beweglich
befestigt sind. Über einen weiteren Koppelkörper 37 sind beide Dauermagnet elemente
mit der Membran 31 verbunden. Eine Erregung der Spule bewirkt durch ein induzierter
Drehmoment in den beiden Dauermagnetelementen 32 eine Auslenkung des Koppelkörpers
37, wobei die Membran synchron zur Auslenkung zu erzwungenen Schwingungen angeregt
wird. Die gleiche Wirkung kann im Prinzip auch von zwei Spulen mit entgegengesetster
Polarität und Dauermagnetelementen mit gleichsinniger Magnetisierungsrichtung im
Innern dieser Spule erzielt werden.
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Ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei dem zwei Membranen gleichzeitig
angeregt werden können, ist in Fig.4 dargestellt. Ein kreisförmiges, senkrecht zur
Membranoberfläche magnetisiertes Dauermagnetelement 42 ist zentral in einer Spule
43 angeordnet und an den beiden in einem Gehäuse 44 befestigten Membranen 41 über
Koppelkörper 46 aufgehängt. Je nach Stärke des Erregerfeldes innerhalb der Spule
wird ein Drehmoment auf den Dauermagneten ausgeübt, wobei durch dessen Drehung beide
Membranen über die koppelkörper synchron zu erzwungenen Schwingungen angeregt werden.
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Zur Übertragung höherer Energien auf größere Flächen können auf der
Membran auch mehrere Dauermagnetelemente angeordnet werden.
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In der in Fig.5 dargestellten Ausführungsform ist ein Daueragnetstreifen
52, der aus vier Dauermagnetelementen entgegengesetzter Magnetisierungsrichtung
zusammengesetzt ist, auf der bei 54 gelagerten Membran 51 angebracht. Dem Dauermagnetatreifen
52 steht ein entsprechendes Spuensystem 53 aus vier Spulen mit entgegengesetzter
Polarität gegenüber. Bei diesem elektroakustischen Wandler, der vorzugsweise als
Hochleistungswandler eingesetzt werden kann, können die einzelnen Spulen entweder
als Mäanderspulen oder auch vorzugsweise als Langspulen ausgebildet sein.
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Insbesondere bei Verwendung von Dauermagnetelementen mit geringerer
Koerzitivfeldstärke, zum Beispiel auch von mit Bindemittelzusatz versehenen Dauermagneten
auf der Basis der AlNiCo-Legierungen, ist es vorteilhaft, wenn die Magnetisierungsrichtung
des Dauermagnetelementes parallel zur Oberfläche der Membran verläuft. Ein diesen
Umstand berücksichtigendes Ausführungsbeispiel ist in Fig.6 dargestellt. Auf der
bei 64 gelagerten Membran 61 ist ein langgestrecktes Dauermagnetelement 62 aufgebracht,
dessen Feldlinien parallel zur Oberfläche der Membran verlaufen. Ein Dauermagnetelement
mit senkrecht zur Membranoberfläche verlaufendem Magnetfeld würde wegen der großen
Scherung eine zu schwache Schwingungsanregung liefern. Eine Erniedrigung der Magnetisierung
würde eintreten, wenn die Membran aus einem ferromagnetischen Material besteht,
da der Magnet dabei teilweise kurzgeschlossen wird. Die Membran 61 sollte daher
vorsugsweise nicht ferromagnetisch sein. Gegenüber dem Dauermagnetelement 62 ist
eine Spule 63 sit einem weichmagnetischen Eisenkern 65 angeordnet, wobei dieser
Eisenkern einerseits zur Verbesserung des magnetischen Rückschlusses dient, andererseits
aber auch eine erwünschte Vorspannung der Membran erzeugen kann.
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Ähnlich wie bei elektrodynamisch oder permaneutmagnetisch erregten
Schwingspulensystemen kann der erfindungsgemäße elektroakustische Wandler in beiden
Richtungen der Energieumsetzung eingesetzt werden, nämlich sowohl als Schallgeber
als auch als Schallaufnehmer nach Art eines Mikrofons. Der erfindungsgemäße elektroakustische
Wandler eignet sich daher insbesondere für Telefonhörkapseln, Kopfhörer, Lautsprecher
oder Hikrofonsysteme.
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Gegenüber den herköulichen Wandlern haben die erfindungsgemäßen elektroakustischen
Wandler den Vorteil, daß sie weder bewegliche Stromleiter, wie bei den Schwingspulensystemen,
noch kompakte Magnetsysteme aufweisen, was dem Wunsch nach weiterer Miniaturisierung
entgegenkommt. Mit dem in das schwingfähige System der Membran integrierten Dauermagnetelement
wird darüberhinaus eine günstige Schallabstrahlung, zum Beispiel bei Verwendung
als Lautsprecher, erzielt.
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L e e r s e i t e