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El ekt roakust i scher Wand I er
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Die Erfindung betrifft einen elektroakustischen Wandler mit mindestens
einem Antriebssystem und mindestens einer diesem zugeordneten eigentlichen (Treiber-)
Membran, die bei veränderlichem Stromdurchfiuß im Antriebssystem in Schwingungen
versetzt wird.
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Derartige elektroakustische Wandler werden in elektroakustischen Systemen
wie Kopfhörer, Lautsprecher und Mikrophonen (hier eigentlich als akustoelektrischer
Wandler) eingesetzt. Sie dienen dazu, elektrische Schwingungen in Schallschwingungen
oder vice versa umzusetzen. Derartige elektroakustische Wandler sind in verschiedener
Ausgestaltung und verschiedenem Einsatz bekannt. Das Antriebssystem kann prinzipiell
als flächige Per manentmagnete und auf der Treibermembran aufgebrachte leitende
Windung en oder als stationäre Kondensatorelektroden ausgebildet sein. Insbesondere
wird aber von einer Ausgestaltung ausgegangen, bei der das Antriebssystem aus einem
ortsfesten Magneten mit Spule besteht, das mit der Merr bran verbunden ist. Bei
herkömmlichen (elektro-) dynamischen Wand!ern ist beispielsweise an der Membran
die Spule mit senkrecht zur Treibermem branfläche sich erstreckender Achse angeordnet
und taucht in einem Ringspalt des Magneten. Die Spule und das Magnetfeld kann hier
in weitgehend freier Weise den jeweiligen Anforderungen entsprechend ausgestaltet
werden
und weist gute elektrische und akustische Eigenschaften auf.
Darüber hinaus ist ein solcher Wandler problemlos fertigungstechnisch herzustellen.
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Nachteilig ist allerdings, daß der Abstrahlbereich relativ gering
ist und daher eine gute Zentrierung des Wandlers relativ zum Ohr-bzw. zur Schallwelle
erfolgen muß, was bei Kopfhörern mittels eines entsprechenden Polsters versucht
wird. Weiterhin können störende Resonanzeffekte, insbesondere bei sogenannten geschlossenen
Systemen, auftreten, die durch die kleine Membran bedingt sind, die wiederum aufgrund
von Anforderungen einerseits an ihr Schwingungsverhalten, andererseits ihre Stabilität
nicht größer ausgestaltet sein kann. Auch schwingt eine derartige Membran nicht
über ihre gesamte Fläche gleichphasig, wodurch Verzerrungen und Phasenverzögerungen
der Schallschwingungen erzeugt werden, die sich akustisch in nachteiliger Weise
auswirken. Es sind weiterhin sogenannte orthodynamische Wandler bekannt, bei denen
die Spule direkt auf der Membran aufgebracht ist. Diese Wand ler ermöglichen zwar
grundsätzlich ein befriedigendes Schwingungsverhalten der Membran, sind aber in
elektrischer und konstruktiver Hinsicht Beschränkungen, insbesondere im Hinblick
auf ihre Impedanz, sowie die Spulen- und Magnetfeldausgestaltung, ausgesetzt, die
die Einsatzmögiichkeiten einschränken. Auch sind solche Wandler unempfindlicher
als dynamische. Darüber hinaus verlangen solche Wandler hohe und genaue fertigungstechnische
Anforderungen, was zu erhöhten Kosten führt. Die genannten Wandler sind in offener
und geschlossener Weise ausgestaltbar.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, unter Vermeidung der genannten
Nachteile einen elektroakustischen Wandler zu schaffen, der ausgezeichnete Schwing-
und damit akustische Eigenschaften aufweist, fertigungstechnisch einfach herzustellen
und keinen Beschränkungen in elektrischer Hinsicht unterworfen ist.
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Erfindungsgemäß wird die genannte Aufgabe bei einem elektroakustischen
Wandler mit einem Antriebssystem dadurch gelöst, daß auf der einem ortsfesten Teil
des Antriebssystems abgewandten Seite der Treibermembran vor dieser eine weitere,
von der Treibermembran bestrahlte schwingungsfähige Membran angeordnet ist.
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Während die erfindungsgemäße Ausgestaltung eines akusto-elektrischen
Wandlers von einem beliebigen herkömmlichen ausgehen kann, wie dynamischen und orthodynamischen
Wandlern geschlossener und offener Art, so treten do ch die Vorteile der erfindungsgemäßen
Ausgestaltung insbesondere beim Ausgang von einem dynamischen Wandler geschlossener
Art besonders hervor. Diese Vorteile ergeben sich daraus, daß erfindungsgemäß ein
elektroakustischer Wandler geschaffen wird, bei dem von einem e i gent I i chen
Tre i bersystem über ein geeignetes zw i schengeschal tetes schwingungsfähiges Medium,
das zunächst Luft sein kann, eine zweite schwingungsfähige Membran angeregt wird,
die in bevorzugter Ausgestaltung eine leicht gewellte Flachmembran ist, wodurch
sie eine gute Flexibilität erhält.
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Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Wandlers besteht darin,
daß die direkt von der Treibermembran angestrahlte zweite Membran weitgehend gleichphasig
über ihre gesamte Oberfläche hin schwingt und damit ausgezeichnete akustische Eigenschaften
bedingt, die bei Kopfhörern und Lautsprechern dem Original sehr naheko m mende Schallschwingungen
verursacht, wodurch insbesondere bei Einsatz von Kopfhörern das Richtungs-und Entfernungshören
bei stereophonischen Übertragungen dem natürlichen Hören praktisch vollständig entspricht,
was bisher bei Kopfhörern kaum der Fall war, insbesondere auch dann nicht, wenn
wie ansich bekannt, in der Ebene der Treibermembran um diese herum Dämpfungswiderstände
mit einer gewissen elastischen Masse angeordnet sind, auf die der von der Ohrmuschel
reflektierte Schall - also nach Durchlaufen des Volumens zwischen Ohrmuschel und
Treibermembran indirekt - auftrifft, wodurch eine Beeinflussung des Frequenzganges
bewirkt werden kann.
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Weiterhin muß keine genaue Zentrierung des Wandlers erfolgen, da ein
gleichmäßiges Abstrahlen in einem großen Bereich erfolgt. In an sich herkömmlicher
Weise können bei dem erfindungsgemäßen Wandler hinter der eigentlichen Treiberanordnung
aus Magnet, Spule und erster Treibermembran Öffnungen in einem Tragkörper oder -teil
vorgesehen sein, die wiederum mit Filz, Gewebe oder ähnlichem dämpfenden Material
abgestimmt sind. Ebenfalls können bei geschlossener Ausgestaltung Kanäle entlang
dem Magnetsystem als akustischer Reibungswiderstand eusgebildet sein.
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Grundsätzlich ist die Anordnung des elektroakustischen Wandlers an
den akustischen Empfänger, wie das Trommelfell, bzw. einer Schallwelle an den akusto-elektrischen
Wandler bei der erfindungsgemäßen Ausgestaltung in hervorragender Weise optimal
geiöst, was für die Aufnahme und Wiedergabe eines Hörereignisses wesentlich ist.
Darüber hinaus kann die Spule sowie das Magnetfeld im Gegensatz zu einem orthodynamischen
Wandler in großem Umfang entsprechend den jeweiligen Anforderungen ausgestaltet
sein, wobei die Membranoberf iäc he bei Kopfhörern nah und kompakt an das Ohr angekoppelt
sein kann, wodurch im Vergleich auch zu teuren und aufwendigen elektrostatischen
Systemen ein ausgezeichneter Klang erreicht wird.
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Die Membran besteht aus Kunststoff, vorzugsweise aus einem Polyesterfilm.
In weiterer bevorzugter Ausgestaltung kann vorgesehen sein, daß die zweite Membran
mit einer Beschichtung versehen ist. Die Beschichtung kann insbesondere einen sandwichartigen
Aufbau haben, indem auf eine Metallschicht eine Kunststoffschicht folgt oder umgekehrt,
wobei auch jeweils noch eine weitere Sandwichlage aus Metall bzw. Kunststoff vorgesehen
sein kann. Hierdurch kann je nach Anforderungen eine unterschiedliche akustische
Masse zur Beeinflussung der Eigenresonanz und Dämpfung insbesondere von Partialschwingungen
erreicht werden.
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Eine Metallbeschichtung kann auflaminiert, aufkaschiert oder aufgedampft
sein. Weiterhin kann vorgesehen sein, daß die Metallbeschichtung strukturiert ist,
so daß die Metallbeschichtung beispielsweise als Leiterbild vorliegt. Der eigentliche
Schwingungseinfluß der zweiten getriebener Membran ist durch die erste Treibermembran
bestimmt; eine zusätzliche aktive Ausgestaltung direkt an der zweiten Membran ist
nicht ausgeschlossen.
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Auch kann eine mechanisch starre Verbindung zwischen beiden Membranen
vorgesehen sein. In weiterer bevorzugter Ausgestaltung ist insbesondere vorgesehen,
daß der freie Durchmesser der zweiten Membran größer ist als der Durchmesser der
ersten Treibermembran. Die Membran liegt dabei mit ihrem Umfangsrand auf einem Tragteil
auf, wobei sie insbesondere mit diesem verbunden, beispielsweise verklebt sein kann.
In weiterer bevorzugter Ausgestaltung ist vorgesehen, daß der Raum zwischen den
beiden Membranen gasdicht abgeschlossen ist und daß im Raum zwischen den beiden
Membranen ein Medium ist, das eine größere Schallgeschwindigkeit ermöglicht als
Luft vorgesehen ist, wobei insbesondere die Füllung ein leichteres Gas als Luft
ist. Die Kopplung kann allerdings auch insofern mechanisch elastisch erfolgen als
der Raum zwischen den Membranen durch ein geeignetes elastisches Medium, wie auch
Schaumstoff weitgehend ausgefüllt ist. Durch diese Ausgestaltung können Phasenunterschiede
der Treibermembran, die zu Verzerrungen führen können, im sich fortpflanzenden Schall
derart unterdrückt werden, daß sie keine akustischen nachteiligen Wirkungen entfalten
können. Gegenphasige Schwingungen der Treibermembran werden nicht auf die Flachmembran
und nicht von dieser weiter übertragen. Durch die zwischengeschaltete zweite Membran
wird zwar eine gewisse Zeitverzögerung in Kauf genommen, die positiven Eigenschaften
des erfindungsgemäßen Wandlers überwiegen aber bei weitem. Zur Vermeidung des Aufbaus
von störenden Verzerrungen ist insbesondere vorgesehen, daß die zweite Membran nahe
an der Treibermembran angeordnet ist, wodurch insbesondere auch angestrebt wird,
daß das Volumen des Zwischenraums zwischen den beiden Membranen gering ist.
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In einer nicht dichten Ausgestaltung des Zwischenraums zwischen den
beiden Membranen mit dem Medium Luft als Schailträger, kann weiterhin vorgesehen
sein, daß aus dem Zwischenraum zwischen den beiden Membranen Durchbrüche zur freien
Umgebung herausgeführt sind, wobei diese Ausgestaltung insbesondere weiter derart
ausgestaltet sein kann, daß die Durchbrüche mit Dämpfungsmaterial abgedeckt oder
ausgefüllt sind. Hierdurch sind die akustischen Eigenschaften weiterhin in positiver
Weise beeinflußbar. Diese von insbesondere in Ausgestaltung als Kapillaren im hohen
Frequenzbereich durch ihre wirksame akustische Masse zur Linearisierung des Frequenzganges
beitragen. In bevorzugter Ausgestaltung kann weiter vorgesehen sein, daß die zweite
Membran radiai unterstützt ist. Auch ist bei einer vorteilhaften Ausgestaltung vor
der zweiten Membran eine Metallscheibe angeordnet, die insbesondere mit Durchbrüchen
versehen, also gitterartig ausgebildet ist. Hierdurch wird das von der Spule erzeugte
Magnetfeld in geeigneter Weise beeinflußt, indem ein größeres Magnetfeld in den
Spalt gedrückt wird, wodurch eine bessere Höhenwiedergabe, insbesondere eine größere
Stabilität der Höhen erzielt wird. Vor der zweiten Membran nach der Erfindung, kann
weiterhin ein Staubschutz oder ein Schaumstoffpolster grundsätzlich auch vorgesehen
sein. Während in naheliegender Weise die zweite Membran rund ist, ist gemäß bevorzugter
Ausgestaltung vorgesehen, daß die zweite Membran eckig ausgebildet ist, wobei dann
auch die aufgebrachte Metallstruktur in entsprechender Weise ausgebildet ist.
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Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen
und aus der nachfolgenden Beschreibung, in der Ausführungsbeispiele der Erfindung
unter Bezugnahme auf die Zeichnung im einzelnen erläutert sind. Dabei zeigt:
Figur
1 Ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen akusto-elektrischen Wandlers
im Schnitt:, Figur 2 ein Ausführungsbeispiel eines elektroakustischen Wandlers in
Aufsicht entsprechend dem Pfeil II der Figur 1 auf die zweite Membran oder Flachmembran;
und Figur 3 zwei Meßkurven eines erfindungsgemäßen akustischen Wandlers1 nämlich
eines erfindungsgemäß ausgebildeten Kopfhörers.
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In der Figur 1 ist im Schnitt zunächst ein herkömmlicher elektroakustischer
Wandler mit dynamischem System in offener Ausführung dargestellt. Der elektro-akustische
Wandler 10 hat als wesentliche Elemente einen Magneten 1 mit einer Polplatte 13
und einem Magnetkopf 14, zwischen denen ein Ringspalt 15 ausgebildet ist, in dem
eine Spule 16 als Tauchspule angeordnet ist, die wiederum mit ihrem aus dem Spalt
15 herausragenden Stirnring fest mit einer ersten Membran oder Treibermembran 18
verbunden ist. Weiterhin sind rahmenförmige Tragteile 20 vorgesehen, die die vorher
genannten elektroakustischen Elemente halten. Die Treibermembran 18 ist mit ihrem
Umfangsrand 22 gasdicht am Tragteii 20 festgelegt, beispielsweise mit diesem dicht
verklebt. Soweit handelt es sich um einen an sich herkömmlichen elektroakustischen
Wandler, der auch in entsprechender, an sich bekannter Weise funktioniert, so daß
diesbezüglich weitere Erläuterungen der bekannten Ausgestaltung und ihrer Funktion
riecht weiter erforderlich sind.
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Erfindungsgemäß ist nun auf einem äußeren Umfangsrand 24 des Tragteils
20 eine leicht gewellte zweite Membran oder Flachmembran 26 mit ihrem Umfangsrand
28 aufgelegt. Dabei steht der Umfangsrand 24 des Tragteils 20 leicht über die am
weitesten vom Magneten 12 fortragende Stelle 30 der Treibermembran 18 hinaus. Die
Membranen 18 und 26 berühren sich dabei nicht. In bevorzugter Ausführung liegt der-Abstand
bei 0,5mm. Die Flachmembran 26 ist mit ihrem Umfangsrand 28 ebenfalls auf dem Umfangsrand
24 des Tragteils 20 gasdicht angeordnet, so daß zwischen den beiden Membranen 18
und 26 sowie Umfangsbereichen des Tragteils 20 ein gegen die Umwelt gasdicht abgeschlossener
Hohlraum ausgebildet ist. Dieser Hohlraum ist vorzugsweise mit einem Fluid gefüllt,
das eine höhere Schallgeschwindigkeit zuläßt als sie bei Luft der Fall ist. Es kommt
hier insbesondere ein Gas wie Stickstoff in Frage. Wenn die Membranen eine ausreichende
Eigendichtigkeit besitzen, so kann auch Helium eingesetzt werden. Über der sekundären
Flachmembran 26, kann eine Metallscheibe 34 mit Durchbrüchen 36 zur Verhinderung
von Streuflüssen angeordnet sein.
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Soweit als Fluid - wie im dargestellten Ausführungsbeispiel - Luft
bei Normaldruck verwendet wird, können aus dem Zwischenraum zwischen beiden Membranen
18, 26 Durchbrüche 38 mit gewählten Volumen zur freien Umgebung herausführen, die
ggfls. mit akustischem Dämpfungsmaterial abgedeckt sind. Der je nach Konstruktion
unterschiedliche Raum zwischen Magnetkopf 14 und Gehäuse oder Tragteil 20 kann ebenfalls
mit Dämpfungsmaterial ausgefüllt sein. Bei der dargestellten Ausführungsform ist
an der Rückseite des Magnetkopfes 14 eine Druckausgleichsmembran 40 vorgesehen,
die dazu dient die Treibermembran 18 in ihrem Schwingungsverhalten zu beeinflussen.
Hierbei wirken entweder die Durchbrüche 38 und/oder Öffnungen (nicht gezeigt) im
Magnetkopf 14 mit. Die Druckausgleichsmembran 40 ist insbesondere aus elastischem,
selbstrückstellendem Material hergestellt.
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In der in Figur 2 dargestellten Ausführungsform ist die Flachmembran
26 durch eine aufgedampfte Trägerfolie aus Metall, nämlich Aluminium, verstärke,
wobei die Aluminiumbeschichtung 42 in geeigneter Weise in Form eines S-Bildes ausgestaltet
wurde, so daß die Schwingeigenschaften der Membran 26 in der Weise optimiert sind,
daß die Membran über einen weiten Bereich gleichphasig schwingt.
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Wird nun die Spule durch modulierten Strom in Schwingung versetzt,
so schwingt in entsprechender Weise die Membran 18. Diese treibt über das zwischen
ihr und der Membran 26 befindliche Gas letztere an, wobei die Membran 26 über ihren
gesamten Durchmesser hin in unverzerrte gleichphasige Schvingungen versetzt wird
und damit in einem breiten Raum- und Winkelbereich den Schall abstrahlt.
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In der Figur 3 sind Meßkurven dargestellt, die das gute Frequenzverhalten
bei einem Kopfhörer in erfindungsgemäßer Ausgestaltung zeigen. Bei niedrigen Frequenzen
ist der Abfall recht gering, in mittleren Hörfrequenzbereichen liegt fast eine Gerade
vor und insbesondere die hohen Frequenzen über 15 kHz werden noch ausgezeichnet,
insbesondere besser als bei bekannten Kopfhörern wiedergegeben, bei denen schon
ab weniger als 15 kHz ein steiler Abfall festzustellen ist. Die gestrichelte Frequenzkurve
44 zeigt die Messung bei einem erfindungsgemäßen Kopfhörer ohne der Flachmembran
26 vorgelagerten Metallscheibe 34, wobei nur ein Kunststoffschutz verwendet wurde.
Die Meßkurve 46 zeigt dagegen ein Meßergebnis bei einem Kopfhörer mit vorgelagerter
Metallscheibe 34. Ein Vergleich der beiden Kurven ergibt, daß durch die Met allscheibe
34 das Frequenzverhalten eines erfindungsgemäßen Wandlers 10 noch weiter verbessei
wird, insbesondere im mittleren Bereich noch besser linearisiert wird und
im
Bereich hoher akustischer Frequenzen. über 15 000 KHz die Anhebung derselben noch
ausgeprägter erfolgt.
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Die in der vorstehenden Beschreibung, in der Zeichnung sowie in den
Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in
beliebiger Kombination für die Verwirklichung des Erfindungsgedankens wesentlich
sein.
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Bezugszei chen-Li ste 10 Wandler 12 Magnet 13 Polplatte 14 Magnetkopf
15 Ringspalt 16 Spule 18 Treibermembran 20 Tragteile 22 Umfangsrand (von 18) 24
Umfangsrand (von 20) 26 Flachmembran 28 Umfangsrand (von 26) 30 Bereich (von 18)
34 Metallscheibe 36 Durchbrüche 38 Durchbrüche 40 Druckausgleichsabdeckung 42 Aluminiumbeschichtung
44 Frequenzkurve 46 Frequenzkurve
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