DE2803602B2 - Elektroakustischer Wandler - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen elektroakustischer! Wandler nach dem Oberbegriff des Patentanspruches.

Bei einem derartigen bekannten Wandler (vgl. US-PS 389) sind die beiden Abschnitte der Membran unterschiedlich gekrümmt, um Schall-Strahlungen gleicher und entgegengesetzter Phase zu erzeugen, die die relativ hohen und unerwünschten Frequenzen auslöschen, die in den Kreuzungsbereich des Lautsprecher-Konus einfallen. Außerdem ist es bekannt (FR-PS 75 613), zwei nicht gekrümmte Abschnitte einer Membran durch einen Wulst zu verbinden. Ähnliche Lautsprecher mit einer Membran aus nur einem geraden Abschnitt sind weit verbreitet (vgl. USPS 71 829).

Ein Lautsprecher, der ein auf einer Schallplatte oder einem Magnetband aufgezeichnetes Tonfrequenzsignal in ein Schallsignal zur Wiedergabe verwandelt, sollte über einem weiten Frequenzbereich ein gleichmäßiges Schalldruck-Ausgangssignal abgeben. Bei Lautsprechern ist eine Schwingspule in einem Luftspalt eines Magnetkreises so angeordnet, daß sie darin schwingt, und eine Membran ist mit der Schwingspule verbunden. Ein Ausgangssignal eines Tonfrequenzverstärkers wird zur Schwingspule gespeist, um diese im Luftspult in Schwingungen zu versetzen, so daß die Membran zum Erzeugen eines Schall-Ausgangssignals schwingt. Die Membran besteht aus Papier, Metall, Kunstharz od. dgl. und hat eine Konus- oder Haubenform, und die Schwingspule ist mit der Membran verbunden. Der Außenrand der Membran ist auf weichem Material gelagert, um ein Schwingungssystem zu bilden. Das Schwingungssystem hat eine niederste Resonanzfrequenz, die durch die Masse der Membran, die Masse der Schwingspule, die Trägheitsmasse der Luft und die Festigkeit oder Steifheit einer gewellten Kante oder einer Zentrierungsfeder bestimmt ist, die die Membran trägt, und eine Hochband-Resonanzfrequenz, die von der Form, dem Durchmesser und dem Material der Membran abhängt Diese Resonanzen verursachen

ίο Spitzenwerte in den Tiefband- und Hochband-Frequenzen auf einer Frequenzgang-Kurve des Lautsprechers. Der Frequenzbereich, in dem der Lautsprecher das Schallsignal wiedergeben kann, hängt von der Tiefband Resonanzfrequenz und der Hochband-Resonanzfre-

n quenz ab. Je größer der Abstand zwischen diesen Frequenzen ist, desto breiter ist der Frequenzbereich, über dem das Schallsignal mit gleichmäßigem Schalldruckpegel wiedergegeben wird. Daher wird eine Steigerung der Hochband-Resonanzfrequenz angestrebt, um so den Widergabe-Frequenzbereich des Lautsprechers zu erweitern.

Die Hochband-Resonanz des Lautsprechers wird in erster Linie durch die Resonanz der Membran selbst verursacht. Daher kann durch Erhöhen der Resonanzfrequenz der Membran selbst die Hochband-Resonanzfrequenz des Lautsprechers gesteigert werden. Um die Resonanzfrequenz der Membran zu erhöhen, wird diese vorzugsweise aus einem Material mit hoher Schall-Ausbreitungsgeschwindigkeit hergestellt, d. h. aus einem Material mit großem Elastizitätsmodul. Daher wird bisher die Membran aus einem Material mit großem Elastizitätsmodul hergestellt, wie z. B. Aluminium, Titan oder Beryllium oder aus einer Mischung einer Pflanzenfaser mit einer Kohlenstoffaser. Da jedoch diese Materialien einen kleineren Eigenverlust als Papier aus einer Pflanzenfaser haben, weist eine Membran aus diesen Materialien einen höheren Resonanz-Gütefaktor bei der Hochband-Resonanz als eine Membran aus Papier auf und erzeugt höhere Spitzenwerte in den Hockband-Trequenzen der Frequenzgang-Kurve des Lautsprechers. Damit werden die Hochband-Frequenzen des durch den Lautsprecher wiedergegebenen Schallsignals hervorgehoben, und somit kann das elektrische Signal nicht hochwertig (mit

4> Hi-Fi-Qualität) in das Schallsignal umgewandelt werden.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen elektroakustischen Wandler anzugeben, der ein Schallsignal über einem weiten Frequenzbereich mit hoher Wiedergabe-

•w gute und kleinem Spitzenwert des Schalldruckpegels bei einer Hochband-Resonanzfrequenz erzeugen kann.

Diese Aufgabe wird bei einem elektroakustischen Wandler nach dem Oberbegriff des Patentanspruches erfindungsgemäß durch die in dessen kennzeichnendem

■>-> Teil angegebenen Merkmale gelöst.

Der Wulst ist also vorgesehen, um die Schwingungsformen der beiden Abschnitte in einfacher Weise voneinander verschieden zu machen, so daß der Resonanz-Gütefaktor in der Hochband-Resonanz ver-

ho ringerbar ist, wodurch ein flacher Frequenzgang über Hochband-Frequenzen erzielt und der Wiedergabe-Frequenzbereich erweitert wird.

Anhand der Zeichnung wird die Erfindung nachfolgend näher erläutert. Es zeigt

t>i F i g. 1 einen Seitenschnitt eines Ausführungsbeispiels des erfindungsuemäßen elektroakustischen Wandlers,

Fig.2 ein Ersatzschaltbild eines herkömmlichen elektroakustischen Wandlers.

Fig,3 ein Ersatzschaltbild des erfindungsgemäßen elektroakustischer! Wandlers, und

F i g. 4 die Frequenzgang-Kurve des erfindungsgemä-Qen elektroakustischer! Wandlers.

Anhand F i g. 1 wird ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen eiektroakustischen Wandlers näher erläutert In F i g. 1 ist ein unteres Scheiben-Joch 1 aus magnetischem Material, wie z. B. Eisen, vorgesehen, und ein Zylinder-Mittenpol 2 liegt ganz in der Mitte der Oberfläche äw-s unteren Joches 1. Weiterhin ist ein oberes Scheiben-Joch 3 aus dem gleichen magnetischen Material wie das untere Joch 1 vorgesehen, und eine Öffnung mit größerem Durchmesser als der Außendurchmesser des Mittenpoles 2 besteht in der Mitte des oberen Joches 3. Das obere Ende des Mittenpoles 2 ist in die öffnung eingepaßt, und ein ringförmiger Luftspalt 4 wird durch den Mittenpol 2 und das obere Joch 3 um das obere Ende des Mittenpoles 2 festgelegt In das untere Joch 1 und das obere Joch 3 ist ein Magnet 5 eingeführt, der z. B. aus Ferrit besteht und einen Gleichmagnetfluß in den Luftspalt 4 speist Das untere Joch 1, der Mittenpo! 2, das obere Joch 3 und der Magnet 4 bilden einen Magnetkreis eines elektroakustischer! Wandlers 10. Das untere Joch 1 und der Magnet 5 sind durch einen Klebstoff gekoppelt, und das obere Joch 3 und der Magnet 5 sind auf ähnliche Weise durch einen Klebstoff gekoppelt

In den Luftspalt 4 ist ein Schwingspulenkörper 6 eingeführt der aus Papier oder Aluminium besteht und Zylinderform hat, um deren Mantelfäche eine Schwingspule 7 gewickelt ist Ein konusförmiger Korb 8 ist auf der Oberfläche des oberen Joches 3 befestigt Am Boden des Korbes 8 ist ein unterer Flansch 9 befestigt, der mit dem oberen Joch 3 durch Klebstoff verbunden oder verschraubt ist. Auf der Oberfläche des Flansches 9 ist der Außenrand einer Scheiben-Zentrierungsfeder U befestigt, die den Spulenkörper 6 konzentrisch zum Mittenpol 2 hält. Mit dem oberen Ende des Spulenkörpers 6 ist eine Membran 12 gekoppelt, deren Außenrand am Korb 8 durch ein Stützglied 13 befestigt ist. Der Schwingspulenkörper 6, die Schwingspule 7, die Zentrierungsfeder 11, die Membran 12 und das Stützglied 13 bilden ein Schwingungs-system des eiektroakustischen Wandlers 10.

Die Membran 12 besteht aus Metall, wie z. B. Aluminium, Titan oder Beryllium oder einer Mischung aus Papierbrei und Kohlenstoffaser. Diese Materialien haben einen kleinen Eigenverlust, und die Schall-Ausbreitungsgeschwindigkeit in diesen Materialien ist groß. Daher kann mit diesen Materialien die Hochband-Resonanzfrequenz der Membran 12 auf eine Hochfrequenz gesteigert werden. Die Membran 12 ist im allgemeinen konusförmig und weist zwei verschieden gekrümmte Flächen auf, d. h. sie hat einen unteren Abschnitt 12a einer mit dem Schwingspulenkörper 6 gekoppelten Membran und einen oberen Abschnitt 126 einer mit dem Stützglied 13 gekoppelten Membran. Der untere Abschnitt 12a der Membran hat achssymmetrisch gekrümmte Flächen mit einer Außenumfangsfläche von konkavem Verlauf, wie z. B. exponentiellem Verlauf, hyperbolischem Verlauf oder kettenlinienförmigem Verlauf, und eine Innenumfangsfläche mit konvexem Verlauf. Eine Spitze 14 des unteren Abschnittes 12a der Membran bildet einen Zylinder, der mit der Mantelfläche des Schwingspulenkörpers 6 verbunden ist. Der obere Abschnitt 126 der Membran hat einen achssymmetrischen parabolischen Verlauf, und das weiche Stützgli. d 13 ist mit dem Außenrand des Abschnittes 12ö verbunden. Der Innenrand des oberen Abschnittes 12ö der Membran und der Außenrand des unteren Abschnittes 12a der Membran sind durch einon Wulst 15 gekoppelt Der obere Abschnitt 12Z> der

Membran, der untere Abschnitt 12a der Membran und der Wulst 15 sind einheitlich durch das Material mit geringem Eigenverlust geformt das die Membran 12 bildet

Auf dem Korb 8 ist ein oberer Flansch 16 vorgesehen,

ίο in dessen Oberseite eine Ring-Aussparung 17 vorhanden ist mit der das Stützglied 13 verbunden ist Ein Dichtungsring 18 ist mit dem Stützglied 13 verbunden. Das Schwingungssystem des eiektroakustischen Wandlers 10 ist nachgiebig durch die Zentrierungsfeder 11

υ und das Stützglied 13 gelagert Ein Tonfrequenzsignal von einem Tonfrequenzverstärker wird zur Schwingspule 7 gespeist die ihrerseits einen Wechselmagnetfluß um die Schwingspule 7 erzeugt Durch den so erzeugten Wechselmagnetfluß und den durch den Magnet 5 an den

jo Luftspalt 4 gelegten Gleichmagnetfluß schwingt die Schwingspule 7 im Luftspalt 4, so ds',· auch die Membran i2 in Schwingungen versetzt wird, um das elektrische Signal in ein Schallsignal zu verwandeln.

F i g. 2 zeigt ein Ersatzschaltbild eines herkömmlichen eiektroakustischen Wandlers mit parabolisch gekrümmter Mi mbran in der Nähe einer Hochband-Resonanzfrequenz. In F i g. 2 sind gezeigt eine Antriebskraft Fv der Schwingspule, eine Ersatzmasse Mv der Schwingspule, eine Ersatzmasse Mo der Membran, eine

in Federung Co an der Spitze der Membran und ein Widerstand Rx aufgrund des Eigenverlustes des Stützgliedes, das den Außenrand der Membran hält Die Federung Co an der Spitze der Membran ist experimentell gegeben durch:

r — *

2 η h E cos- χ

mit

■"' h = Dicke der Membran,

E = Elastizitätsmodul des Materials der Membran, und λ = Streuwinkel an der Spitze der Membran.

Wie in F i g. 1 gezeigt ist, wird der Sireuwinkel <x j durch den Winkel aus den Tangenten der Membran 12 an deren Spitze 14 und der Achslinie des Schwir.gspulenkörpers 6 bestimmt. Die Hochband-Resonanzfrequenz des eiektroakustischen Wandlers hängt von der Ersatzmasse Mv der Schwingspuie, der Ersatzmasse Md

-,o der Membran und der Federung C₀ an der Spitze der Membran ab. Wenn demgemäß die Hochband-Resonanzfrequenz erhöht werden soll, muß eine Membran aus einem Material mit geringem Eigenverlust hergestellt werden, und die Massen der Schwingspule und der

-,-, Membran müssen verringert werden, um die jeweiligen Ersatzmassen My und Mo kleiner zu rnichen, und weiterhin muß die Federung Cd an der Spitze der Membran verringert werden. Um die Federung Cd an der Spitze der Membran zu verringern, wird Vorzugs

ho weise der Streuwmkel λ an der Spitze der Membran kleiner gemacht, wie dies aus Gleichung (1) folgt

Jedoch kann selbst mit einem derartigen Aufbau die Schwingung der Membran während der Resonanz nichf vollständig gedämpft werden, da die Membran aus

b> Material mit geringem Eigenverlust besteht und die Masse des Stützmaterials kleiner ist als die Masse der Membran. Als Ergebnis steigt der (^-Faktor bei Resonanz.

Fig.3 zeigt ein Ersatzschaltbild des in Fig. 1 dargestellten elektroakustischen Wandlers in der Nähe von dessen Hochband-Resonanzfrequenz, wobei vorgesehen sind eine Ersatzmasse Mp₁ des unteren Abschnittes 12a der Membran, eine Ersatzmasse Mp2 des oberen Abschnittes 126der Membran und eine Federung Cx am Wulst 15. Die Ersatzmasse Mp \ des unteren Abschnittes 12a der Membran und die Ersatzmasse Mai des oberen Abschnittes 126 der Membran liegen in Reihe zu einer Ersatzmasse My der Schwingspule 7, und die Federung Cx am Wulst 15 und der Widerstand Rx aufgrund des Eigenverlustes des Stiitzgliedes 13 liegen parallel zur Ersatzmasse Mm des oberen Abschnittes 12£> der Membran. Da die Membran 12 durch den Wulst 15 in den unteren Abschnitt 12a der Membran und den oberen Abschnitt 12i> der Membran geteilt ist. wird die Ersatzmasse Mp der Membran 12 ebenfalls in die Ersatzmasse Mpι des unteren Abschnittes 12a der Membran und in die Ersatzmasse Mm des oberen

i2ouer Membran geteilt. Demgemäß wird die Hochband-Resonanzfrequenz des elektroakustischen Wandlers 10 durch die Ersatzmasse M\ der Schwingspule 7, die Ersatzmassen Mn\ und Mm des unteren bzw. oberen Abschnittes 12a bzw. 126 der Membran, die Federung Cp an der Spitze 14 des unleren Abschnittes 12a der Membran und die Federung C\ des Wulstes 15 bestimmt. Um die Hochband-Resonanzfrequenz zu erhöhen, müssen die Massen der Schwingspule 7 und des unteren und oberen Abschnittes 12a bzw. 126 der Membran verringert werden, und gleichzeitig muß die Federung Cp an der Spitze 14 verringert werden. Hierzu wird vorzugsweise der Streuwinkel λ an der Spitze 14 des unteren Abschnittes 12a des unteren Abschnittes 12a der Membran verringert. Wie in F i g. 1 dargestellt ist, hat die Außenumfangsflächc des unteren Abschnittes 12a der Membran einen konkav gekrümmten Verlauf, wie z. B. einen exponentiellen Verlauf, einen hyperbolischen Verlauf oder einen kettenlinienförmigen Verlauf (Katenoide). Damit wird der Streuwinkel λ an der Spitze 14 des unteren Abschnitte«. 12a der Membran verringert, und die Federung Cp an der Spitze 14 wird verringert, so daß die Hochband-Resonanzfrequenz des unteren Abschnittes 12a der Membran erhöht wird. Der obere Abschnitt 126 der Membran ist mit dem unteren Abschnitt 12a der Membran durch den Wulst 15 verbunden und hat die parabolisch gekrümmte Fläche, so daß die gekrümmten Flächen des oberen Abschnittes 126 der Membran und des unteren Abschnittes 12a der Membran symmetrisch zueinander am Wulst 15 sind. Damit wird die Schwingungsart des oberen Abschnittes 126 der Membran klar verschieden von der Schwingungsart des -,interen Abschnittes 12a der Membran unabhängig vom oberen Abschnitt 126 der Membran. Der Außenrand des oberen Abschnittes 126 der Membran schwingt, während er federnd durch das Stützglied 13 gelagert ist. und er wird auch durch dei Eigenverlust des Stützgliedes 13 gedämpft. Da dii Masse des oberen Abschnittes 126der Membran kleine als die Masse der gesamten Membran 12 ist, wird e '. vollständig durch den Eigenveriust des Stützgliedes i; gedämpft, um den Q-Faktor bei Resonanz in de Hochband-Resonanz des oberen Abschnittes 126 de Membran zu verringern. Der vollständig gedämpfti obere Abschnitt 126 der Membran wirkt auf dei

κι unteren Abschnitt 12a der Membran ein, um dei letzteren während der Resonanz des unteren Abschnit tes 12a der Membran zu dämpfen, so daß der Q-Fakto bei Resonanz des unteren Abschnittes 12ader Membrai verringert ist.

ι -, Da die Membran 12 in den unteren Abschnitt 12a de Membran und den oberen Abschnitt 126 der Membrai geteilt ist und der untere Abschnitt 12a der Membrai eine gekrümmte Fläche aufweist, um den Streuwinkel, t an deren Spitze 14 zu verringern, wird die Hochband

:ii Resonanzfrequenz der Membran \i erhöht, so daö de Widergabefrequenzbereich des elektroakustischei Wandlers erweitert werden kann. Da weiterhin de obere Abschnitt 126 der Membran eine geringe Massi hat, kann er vollständig durch das Stützglied 1'

r, gedämpft werden, so daß der (^-Faktor bei Hochband Resonanz der Membran 12 verringert und da Schallsignal mit gleichmäßigem Schalldruckpegel be Hochfrequenz erzeugt wird.

F.g.4 zeigt die Abhängigkeit des Schalldruckpegel

i" von der Frequenz beim erfindungsgemäßen elektroaku stischen Wandler. Ein Spitzenwert in aufgrund de Hochband-Resonanz, die nahe 14 000 Hz auftritt, zeig einen Schalldruck von ca. 97 dB. der nicht wesentlicl verschieden vom Schalldruckpege! nahe 5000 Hz ist

π Daraus folgt, daß der elektroakustische Wandler da; Schallsignal mit gleichmäßigem Schalldruckpegel be Hochband-Frequenzen wiedergeben kann.

Der zur Messung der in Fig. 4 dargestellten Kurvt verwendeten elektroakustische Wandler hat folgende

4n Daten:

Membran: Aluminium mit einer Dicke von 40 um. Außendurchmesser der Membran: 37 mm, Innendurchmesser der Membran: 14 mm, Innendurchmesser des Wulstes: 24 mm. Größe des Wulstes: 1 mm Durchmesser, untere Membran: exponentieller Verlauf, obere Membran: parabolischer Verlauf.

Die Membran * 12 wird hergestellt, indem ein«

mi Aluminiumlage mittels einer oberen und einer unterer Metallform mit den Innenkonturen der gekrümmter Fläche des oberen Abschnittes 126 der Membran, dei gekrümmten Fläche des unteren Abschnittes 12a dei Membran und der gekrümmten Fläche des Wulstes If mit Druck beaufschlagt wird.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Elektroakustischer Wandler, mit
   einem Magnetkreis aus einem Zylinder-Mittenpol, einem dem Mittenpol zugeordneten Joch, um einen ringförmigen Luftspalt zu bilden, und einem Magneten zum Einspeisen eines Magnetflusses in den Luftspalt,

   einer in den Luftspalt eingführten Schwingspule zur Aufnahme eines elektrischen Signals, die selbst, axial zum Mittenpol schwingt, wenn der Magnetfluß am Luftspalt liegt,

   bei dem eine Membran aus einem Material mit geringem Eigenverlust aufweist:
   einen unteren Abschnitt, der mit der Schwingspule gekoppelt ist und eine Außenumfangsfläche aufweist, die eine axial symmetrisch gekrümmte Fläche einer konkaven Kurve ist, und
   einen oberen Abschnitt mit einer Außenumfangsfläche, die eke axial symmetrisch gekrümmte Fläche einer parabolischen Kurve ist, die in der entgegengesetzten Richtung zum unteren Abschnitt gekrümmt ist,

   gekennzeichnet durch einen Wulst (lfi) aus dem gleichen Material wie der obere und der untere Abschnitt (12a, YIb), der mit dem unteren und dem oberen Abschnitt (12a, \7b) in einem einheitlichen Körper geformt ist,

   so daß der unterschiedlich gekrümmte obere und untere Abschnitt (12a, YIb) eine voneinander unterschiedi^;che Schwingungsform aufweisen, um unabhängig voneinander zu schwingen, wodurch der Resonanz-Gütefaktor in der Hochband-Resonanz des Wandlers verringerb»r ist.