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Aufhängung für eine akustische Membran
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Aufhängung für eine akustische
Membran, bei Lautsprechern, Mikrofonen oder ähnlichen, die sich zwischen einem Rand
der Membran und einem festen Lager erstreckt. Die Erfindung ist somit auf die Befestigung
akustischer Membranen, insbesondere auf eine ringförmige Aufhängung zur Lagerung
des äußeren und/ oder inneren Randteils einer akustischen Membran gerichtet. Sie
ermöglicht eine axiale, jedoch keine Torsionsbewegung der Membran bezüglich eines
festen Halterungsrahmens, an dem die Aufhängung angeordnet ist.
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Zum Stand der Technik sei auf die US-PS 1 829 355 und 3 563 337 verwiesen.
Wesentliches Anliegen der bekannten Konstruktionen und ebenso der vorliegenden Erfindung
ist die Vermeidung von radialen oder Torsionsbewegungen der Membran, wobei jedoch
eine Axialbewegung derselben ermöglicht werden soll unter gleichzeitiger Minimierung
der Beanspruchung des Halterungsmaterials. Hierbei wird eine lange Lebensdauer der
Halterung sowie eine Vermeidung von Verzerrungen angestrebt und zwar dadurch, daß
man
es der Membran ermöglicht, soweit wie möglich sich in genauer Folge des Signals
der Tauchspule zu bewegen.
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Der Stand der Technik gemäß der obengenannten Patentschriften ist
in Fig. 10 und 11 dargestellt, die gefaltete Randleisten zeigen, wobei die Hauptaufgabe
der Randleisten darin besteht, das niedrigfrequente Ende eines bestimmten Frequenzganges
eines Wandlers zu steuern. Weiter soll die Aufgabe gelöst werden, eine große Auslenkung
ohne Oberbelastung des Materials oder anderweitige Verformung zu erreichen, so daß
eine minimale Verzerrung des akustischen Ausganges, eine längere Lebensdauer und
ein verbesserter Frequenzgang insbesondere an seinem unteren, weit ausgelenktem
Ende des gewünschten Bereichs erreicht wird.
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Die vorliegende Erfindung betrifft, ohne wesentlich das Verhalten
des unteren Endes des Frequenzgangs des Bereichs des Wandlers zu ändern, die erste
Gegenknotenpunkts-und zweite Knotenpunktsresonanz, die zusammen mit der sich bewegenden
Masse das hochfrequente Ende dieses Bereichs markieren. Mit der Erfindung ist es
zum erstenmal möglich, das hohe und das niedrige Ende des Bereichs unabhängig voneinander
zu steuern.
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Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß man eine
Halterung aus einem dünnen gefalteten Flächenmaterial bzw. einer Folie, z.B. Aluminiumblech,
in Form eines Rings vorsieht, der aus einer Anzahl pyramidenartiger Strukturen besteht,
wobei sich ein Randteil des Rings kontinuierlich längs und befestigt an einem Rand
der Membran erstreckt, während der andere Randteil des Rings an einem Lagerteil,
wie z.B. einem üblichen Hohlrahmen, angeordnet ist. Jede der Strukturen überdeckt
einen Bogen, der einen Winkel von nicht mehr als 15° einschließt. Infolgedessen
können die Grundflächen der Pyramiden
in etwa als Trapeze angesehen
werden, obgleich jede Grundfläche nach innen und außen mittels bogenförmiger Faltlinien
begrenzt ist, die in der Folie ausgebildet sind; zur Seite hin erfolgt die Abgrenzung
mittels Faltlinien, die in Ebenen liegen, die sich radial zur Membran erstrecken.
Die Außen- und Innenflächen jeder Pyramide sind dreieckig; die Seiten der Flächen
bestehen aus einem Paar kleiner dreieckiger Facetten, die mittels einer zentralen
Faltlinie zwischen der inneren und äußeren kreisförmigen Faltlinie gebildet sind,
wobei diese mittlere Faltlinie konzentrisch zu den beiden anderen Faltlinien verläuft.
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Eine axiale Auslenkung der Membran als Folge eines Signals der Tauchspule
bewirkt eine Ausbiegung der Faltlinien, wie vorstehend beschrieben, im Gegensatz
zu einer Dehnung des Tragmaterials selbst bei älteren Vorschlägen.
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Mit der Erfindung wird somit eine neuartige Aufhängung einer akustischen
Membran geschaffen, wobei deren Bewegung eine Biegung oder Auslenkung der Faltlinien
in der dünnen, faltbaren Folie zur Folge hat. Die Aufhängung selbst weist eine innere
und eine äußere kreisförmige Faltlinie, sowie eine dritte zwischen den beiden vorgenannten
Linien liegende Faltlinie auf. Auch weist sie eine Anzahl pyramidenartiger Strukturen
in der Folie der Aufhängung auf, wobei sich die Spitzen der Pyramiden auf der mittleren
kreisförmigen Faltlinie befinden. Die Seiten der im wesentlichen trapezförmigen
Grundflächen der Pyramiden liegen auf kurzen Bogenstücken der inneren und äußeren
kreisförmigen Faltlinien und auf Linien in im wesentlichen radialen Ebenen der Membran.
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Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sind in der Zeichnung
dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
Fig.
1 eine hintere Ansicht einer Membran mit einer Aufhängung, bei der sich jede pyramidenähnliche
Struktur über einen Bogen von 10" erstreckt; Fig. 2 eine Seitenansicht in Richtung
der Pfeile II-II in Fig. 1; Fig. 3 eine teilweise Stirnansicht in Richtung der Pfeile
III-III in Fig. 2; Fig. 4 eine vergrößerte Teilansicht in Richtung der Pfeile V-V
von Fig. 1; Fig. 5 eine vergrößerte Teilansicht in Richtung der Pfeile V-V in Fig.
4; Fig. 6, Schnitte längs der Ebenen VI-VI, VII-VII bzw.
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7 und 8 Vill-Vill in Fig. 5; Fig. 9 eine Teilansicht der Aufhängung,
bei der sich jede pyramidenähnliche Struktur nur über einen Bogen von 5° erstreckt;
Fig. 10 Beispiele bekannter Aufhängungen; und und 11 Fig. 12 eine grafische Darstellung
des Frequenzgangs der vorliegenden Erfindung und der bekannten Aufhängungen.
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In den Figuren 1 und 2 ist ein hohler, ringförmiger Rahmen oder ein
Lager 10, üblicherweise aus dielektrischem Material, dargestellt. Er weist Befestigungslöcher
oder Ausnehmungen 12 auf, im vorliegenden Fall acht, die im Abstand zueinander über
den Umfang des Rahmens verteilt sind.
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Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel sind eine Membran und ihre Aufhängung
integral aus dünnem Aluminiumblech geformt und besteht aus der haubenförmigen Membran
18 und der ringförmigen Aufhängung 20. Die Haube oder Kalotte ist mit der Bezugsziffer
21 bezeichnet. Radial nach innen bezüglich der Aufhängung ist eine herkömmliche
Tauch-oder Stimmspule 22 vorgesehen, die an der Membran befestigt ist. Sie umfaßt
eine Spule 23 und die eigentliche Tauchspule 24 selbst, und ist mit den Klemmen
25 und 26 verbunden. Radial außerhalb der Aufhängung 20 und mit dieser einstückig
ausgebildet ist eine ringförmige Randleiste bzw. ein Hemd 28 vorgesehen (siehe Fig.
4), mittels der die Membran und ihre Aufhängung fest am Rahmen 10 mittels entsprechender
Kleber und bekannter Klemmringe festgelegt ist. Es sei erwähnt, das die bisher beschriebenen
Konstruktionen und Elemente mit Ausnahme der Aufhängung 20 herkömmlich und auf dem
Gebiet des Lautersprecherbaus bekannt sind.
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Wie man am besten in Fig. 1 sieht, ist die Aufhängung 20 aus einer
Reihe identischer Strukturen aufgebaut, die sich am Umfang der Haube 21 erstrecken.
Jede der Strukturen ist pyramidenartig ausgebildet. Bei dem in Fig. 1 gezeigten
Ausführungsbeispiel sind 36 derartiger Strukturen vorgesehen, so daß sich jede über
einen Bogen erstreckt, der einen Winkel von 10° einschließt. Jede der einzelnen
Strukturen soll einen Winkel einschließen, der 15O nicht überschreitet, wie im folgenden
näher erläutert wird.
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Bei der Aufhängung 20 werden zwei aneinander angrenzende Strukturen
30 und 32 im einzelnen beschrieben, wobei beachtet werden muß, daß die Fig. 1 und
5 Draufsichten darstellen, während die Fig. 3 eine Rückansicht wiedergibt.
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Wie ersichtlich, weisen die Grundflächen der Strukturen 30 und 32
Trapezform auf. Sie sind nach innen und außen durch Bogen kreisförmiger Faltlinien
40 bzw. 41, und seitlich mittels Faltlinien, die in radial bezüglich der Membran
sich erstreckenden Ebenen liegen, abgegrenzt. Jede seitliche Grenze besteht aus
zwei Liniensegmenten, die, wie man in Fig. 8 sieht, miteinander einen Winkel einschließen.
Genauer gesagt, beinhaltet die seitliche Faltlinie gemäß Fig. 8 Segmente 44, 45,
die von den inneren und äußeren kreisförmigen Faltlinien 40 und 41 jeweils nach
vorn geneigt sind. Die Segmente 44 und 45 treffen an einem Punkt 46 aufeinander,
der seinerseits auf einer kreisförmigen Faltlinie 48 liegt, die zwischen der inneren
und der äußeren kreisförmigen Faltlinie 40 und 41 angeordnet ist.
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Gemäß den Figuren 5 und 7 weist die pyramidenartige Struktur 30 dreieckige
Flächen 50 und 52 auf, wobei sich die Scheitelpunkte der Flächen in einem gemeinsamen
Punkt 54 treffen, der auf der mittleren Faltlinie 48 liegt. Gemäß Fig. 6 sind die
seitlichen Flächen der Struktur 32 durch die Faltlinie 48 etwa hälftig geteilt und
bilden die Facetten 56, 57, sowie 58, 59, die ihrerseits leicht konkave Flächenwinkel
bzw. V-Winkel längs der Linie 48 bilden.
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Bei der Ruhestellung der Teile liegen die innere und die äußere kreisförmige
Faltlinie 40, 41 in einer gemeinsamen Ebene senkrecht zur Membranachse, wie dies
sich eindeutig aus der Zeichnung, insbesondere den Figuren 4, 7 und 8 ergibt. Die
mittlere Faltlinie, die den Spitzen der angrenzenden Strukturen 30 und 32 beispielsweise
folgt, überquert diese gemeinsame Ebene abwechselnd. Ein auf die Tauchspule 24 gegebenes
Signal veranlaßt die innere kreisförmige Faltlinie 40, sich nach links und rechts
gemäß diesen Figuren zu bewegen. Diese Bewegung wird durch die
beschriebene
Aufhängung durch eine leichte Biegung der verschiedenen Faltlinien unter minimaler
Streckung des Bleches oder der Folie aufgenommen, aus dem die Aufhängung hergestellt
ist. Die pyramidenartigen Strukturen werden bei der Bewegung der Faltlinie 40 geringfügig
abgeflacht.
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Die Grundflächen der Pyramiden sind natürlich nicht genaue Trapeze
im geometrischen Sinne, sie nähern sich dieser Form jedoch mit geringer werdendem
Bogenmaß eines jeden Moduls an, so daß der Bogen sich einer in einer geraden Linie
liegenden Sehne annähert, um während des Betriebs die Aus- oder Durchbiegung längs
der Faltlinien zu erleichtern. Ein Bogen über einen Winkel von mehr als 15O würde
eine derartige Durchbiegung übermäßig erschweren. Die hier beschriebene Ausführungsform
der Erfindung weist 36 Module auf, wobei jedes einen Bogen entsprechend einem Winkel
von 100 überspannt. In Fig. 9 ist eine erfindungsgemäße Aufhängung teilweise gezeigt,
welche 72 Module aufweist, deren jedes sich über einen Bogen von 5° erstreckt. Die
wiedergegebenen Bezugsziffern sind jeweils um 100 größer als die entsprechenden
Bezugsziffern der Fig. 5.
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Die geometrische Ausbildung der beschriebenen Aufhängung erleichtert
eine Bewegung der Membran in axialer Richtung unter Bereitstellung einer verstärkten
Steifigkeit in anderen Richtungen. Auf diese Weise wird die Möglichkeit einer teilweisen
oder vollständigen Unterdrückung auf ein Mindestmaß verringert, die in Teilen des
interessierenden Spektrums auftritt.
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Die erfindungsgemäße Aufhängung findet besonders Anwendung bei akustischen
Wandlern, die in den mittleren bis höheren
Frequenzbereichen arbeiten.
Die Membranauslenkungen für derartige Wandler sind gewöhnlich klein, wobei jedoch
eine genaue axiale Bewegung ohne eine Verzerrung oder Torsion wesentlich ist. So
neigt eine Aufhängung, die nicht in einer derartigen Weise mitschwingt dazu, die
gewünschten Auslenkungen der Membran, wenn sie mittels der Tauchspule angetrieben
wird, zu unterdrücken. Wie im folgenden beschrieben wird, erreicht die vorliegende
Erfindung ein verbessertes Steifigkeits/Gewichtsverhältnis, welches wirkungsvoll
die zweite Resonanzfrequenz der Aufhängung wesentlich nach oben anhebt, während
die erste Resonanzfrequenz nicht beeinflußt wird. Ein besonderes Anwendungsgebiet
einer Aufhängung dieser Art ist bei sogenannten Kompressionstreibern, die gewöhnlich
in einem Bereich von etwa 500 bis oder über 20 000 Hz arbeiten. In der Vergangenheit
verwendeten derartige Wandler verschiedenste Aufhängungskonstruktionen, wie z.B.
feste ringförmige halbe Rollen (siehe Fig. 10), oder was allgemein im Handel als
Tangentialaufhängung bekannt ist, eine gefaltete te Aufhängung, wie sie in Fig.
11 gezeigt ist. Die Tangentialaufhängung wird allgemein seit etwa 1930 bei Kompressionstreibern,
Mikrofonen und ähnlichem verwendet.
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Beide, die ringförmige Rolle und die Tangentialaufhängung haben verschiedene
Nachteile. Üblich fällt der Frequenzgang dieser bekannten Aufhängungen scharf bei
etwa 8 bis 9 kHz ab. Dies wurde manchmal mittels der Verwendung etwas außergewöhnlicher
Materialien, wie z.B. Beryllium oder Legierungen von Titan behoben, die ein höheres
Modul zu Gewichtsverhältnis haben. Diese Materialien sind nicht nur sehr teuer,
sondern ebenfalls schwierig zu handhaben und zu verarbeiten, was zu wesentlichen
Herstellungskosten pro Einheit führt. Weiter haben diese Konstruktionen einschließlich
der, die die etwas außergewöhnlichen Materialien
verwenden, eine
relativ kurze Lebensdauer. Mechanische Abänderungen der bekannten Aufhängungen,
wie z.B.
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dünne mittlere Abschnitte und ähnliches müssen ihre Lebensdauer einer
besseren Leistung opfern. Brechen dieser Aufhängungen infolge auftretender Ermüdung,
Wärmespannung, Molekularbindungsermüdung oder anderen Gründen, ist häufig die Fehlerursache.
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Die erfindungsgemäße Membran, die gewöhnlich eine dünne Aluminiumfolie
von beispielsweise einer Dicke von 50 bis 75 11 verwendet, kann in weniger als einer
Sekunde in geeignet ausgebildeten Formen gepreßt werden. Wenn sie auf diese Weise
mit hervorstehenden "Pyramiden", wie oben beschrieben, umgeben ist, stellt man fest,
daß der Frequenzgang am oberen Ende um etwa eine volle Oktave erweitert wird. In
Fig. 12 sind Frequenz- bzw. Energiegangkurven für die ringförmige Rollenaufhängung
und die vorliegende Erfindung, aus dem gleichen Material, vergleichend dargestellt.
Die Frequenzgangkurve der ringförmigen Rolle ist in gestrichelten Linien dargestellt.
An der Stelle, an der die ringförmige Rollenaufhängung drastisch bei etwa 8000 bis
9000 Hz abfällt, findet ein derartiger Abfall bei der erfindungsgemäßen Aufhängung
nicht statt.
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Stattdessen verläuft der Frequenzgang bis über 20 000 Hz, wo er nur
etwa -13 dB vom Maximum entfernt ist.
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Noch bezeichnender vielleicht als der bessere Frequenzgang ist die
verbesserte Lebensdauer. Anfängliche Lebensdauerversuche zum Vergleich der erfindungsgemäßen
Aufhängung mit der bekannten Tangentialaufhängung zeigen eine Steigerung der Lebensdauer
von über das 10-Fache und vielleicht mehr als das 100-Fache.
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Es ist die Theorie aufgestellt worden, daß diese Vorteile aufgrund
der einzigartigen Pyramidenstruktur erreicht
wird (wobei ein billiges
Material von normalerweise geringer Festigkeit verwendet wird), wodurch mechanisch
eine Struktur mit einem hohen Steifigkeits/Gewichtsverhältnis geschaffen wird. Wenn
die Aufhängung bzw. umgebende Randleiste zu einem eindimensionalen einfachen Balkenmodell
analogisiert wird, bei dem ein Ende befestigt und das andere Ende frei ist, schafft
das reversible Pyramidenmuster einen komplexen Balken höchster Festigkeit in Richtung
der Mitte. Das Ergebnis ist eine Abstützung, die eine im wesentlichen verminderte
Gegenknotenresonanz aufweist. Hiermit ist gemeint, daß das freie Ende (das tatsächlich
mit der sich bewegenden Membran verbunden ist) nicht eine Gegenresonanzfrequenz
erreicht, wo es mit der Antriebsfrequenz der Tauchspule aus der Phase gelangt, mindestens
nicht unterhalb der gewünschten hohen Grenzfrequenz, nominal 20 kHz.
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Die erfindungsgemäße Aufhängung wird allgemein als Ring beschrieben
und einige der Faltlinien sollen sich dabei radial von der Mittelachse der Membran
erstrecken. Es sei jedoch darauf hingewiesen, daß die Worte "Ring" und "radial"
und die daraus abgeleiteten hier benutzten Wortformen sich auf Grenzmerkmale beziehen,
die sich längs eines Randes oder einer Kante der Membran in irgendeiner Form, nicht
notwendigerweise einer Kreisform, sondern vielmehr auch einer Ellipsen-, einer polygonalen
Form und Kombinationen solcher Formen umfaßt, erstreckt.
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Die erfindungsgemäße Aufhängung kann einstückig mit der Membran und
der äußeren Randleiste hergestellt werden, wie dies dargestellt und beschrieben
ist. Sie kann jedoch auch als separates Ringelement ausgeführt sein und mit Hilfe
entsprechender Einrichtungen oder Kleber an die Membran und die Randleiste angefügt
sein. Sie kann
aus imprägniertem Stoff, Papier oder Glasfaser oder
anderen formbaren Materialien hergestellt sein, wie wärmehärtender oder thermoplastischer
Verbindungen und Laminaten.
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Es wird jedoch angenommen, daß eine dünne Aluminiumfolie das beste
Material für die meisten Anwendungsgebiete darstellt. Andere Ausführungsformen liegen
ebenso im Rahmen der Erfindung und werden von den Ansprüchen umfaßt.
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Es wurde vorstehend eine im Rahmen der obigen Definition ringförmige
Aufhängung zur Lagerung einer akustischen Membran längs ihrer Kante beschrieben,
die in axialer Richtung bewegbar ist. Sie besteht aus einer dünnen gefalteten Folie,
wie z.B. Aluminiumblech, und beinhaltet innere und äußere konzentrische, kreisförmige
Faltlinien mit einer Reihe pyramidenartiger Strukturen zwischen diesen Linien zur
Steuerung der antinodalen Resonanz der Aufhängung unabhängig von der gewünschten
ersten Resonanz.
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Die Aufhängung kann einstückig mit der Membran ausgebildet sein, die
dom- oder konusförmig ausgebildet und mit einer gewöhnlichen Tauchspule versehen
ist. Die Aufhängung gestattet eine axiale Membranbewegung mittels leichtem Biegen
an den Faltlinien, und macht die Dehnung der Folie so gering wie möglich und verhindert
eine Torsionsbewegung der Membran. Wenn die Aufhängung ruht, liegen die inneren
und äußeren Faltlinien wünschenswerterweise in einer gemeinsamen Ebene normal zur
Membranachse und die pyramidenähnlichen Strukturen erstrecken sich abwechselnd auf
jeder Seite der Ebene. Während des Betriebs bewegt sich die kreisförmige Faltlinie
benachbart zur Membran ein wenig von der Ebene und die pyramidenähnlichen Strukturen
flachen ein wenig ab.