DE3321278A1

DE3321278A1 - Elektroakustischer wandler mit langem hub

Info

Publication number: DE3321278A1
Application number: DE19833321278
Authority: DE
Inventors: Cornelis Dionysius van Dijk; Adrianus Jozef Maria 5621 Eindhoven Kaizer; Joris Adelbert Maria Nieuwendijk; Georgius Bernardus Josef Sanders
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1982-06-23
Filing date: 1983-06-13
Publication date: 1983-12-29
Also published as: KR840005297A; DK283183A; SE8705169L; CA1211833A; AU1597883A; US4547631A; AU6114786A; GB2153629B; SE458491B; AU561327B2; SE8303520D0; KR890000106B1; GB8505068D0; SE8705169D0; NL8202529A; GB2122453A; GB2153629A; DK283183D0; JPS596699A; SE458412B

Description

JJZ I Z /ö

PHN 10.378 ^T 20-5-1983

"Elektro-akustischer Wandler mit langem Hub".

Die Erfindung betrifft einen elektro-akustischen Wandler mit einer Membran, und einem elektromechanischen Betätigungsglied, bei dem das elektromechanische Betätigungsglied mit der Membran über eine Hebeleinrichtung zum Übertragen der Bewegung des elektromechanischen Betätigungsglieds auf die Membran verbunden ist. Derartige Wandler umfassen beispielsweise piezo-keramische Wandler, bei denen das elektromechanische Betätigungsglied ein piezo-keramisches Element ist. Andere mögliche Wandler sind beispielsweise die elektrodynamischen Wandler. Hierbei enthält das elektromechanische Betätigungsglied ein Magnetsystem und eine auf einem Sprechspulenkörper angeordnete Sprechspule, die in einem Luftspalt des Magnetsystems angeordnet ist. Letztgenannter Wandler ist aus dem Buch "Loudspeakers" von N.W. McLachlan, Oxford at the Clarendon Press, 1934, S. 225 und 226 bekannt. Die dort dargestellte Hebeleinrichtung dient zur Verwirklichung einer Hubverlängerung einerseits zwischen der Auslenkung des Betätigungsglieds und zum anderen der Auslenkung der Membran. Die bekannten Wandler mit einer Hebeleinrichtung haben den Nachteil, dass sie eine ziemlich grosse Verzerrung im Ausgangssignal aufweisen. Manchmal arbeitet der bekannte Wandler nach einiger Zeit nicht mehr einwandfrei.

Der Erfindung liegt nunmehr die Aufgabe zugrunde, einen Wandler mit einer geringeren Verzerrung im Ausgangssignal zu schaffen, der ausserdem eine längere Lebensdauer hat.

Diese Aufgabe wird mit dem erfindungsgemässen elektro-akustischem Wandler dadurch gelöst,-dass er η Hebeleinrichtungen enthält, die unter einem Winkel gegeneinander oder in bezug auf eine Zentralachse des Wandlers angeordnet sind (n^2, wobei für η = 2 der genannte

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Winkel kleiner als 18O und für η j^ 3 der Winkel vorzugsweise gleich -^ ist) .

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die Zentrierung der unterschiedlichen beweglichen Teile in einem elektro-akustischen Wandler mit einer Hebeleinrichtung nicht ausreichend gewährleistet ist. Die bis heute bekannten Zentriermittel, wie z.B. die Zentrierringe (oder Zentrierfedern), haben beim bekannten Wandler oft nicht die Möglichkeit, diese Zentrierung gut zu verwirklichen. Durch diese unvollständige Zentrierung kann beispielsweise in einem elektro-dynamischen Wandler *->*. die Sprechspule im Luftspalt anlaufen. Dadurch kann sogar die Sprechspule" nach einiger Zeit zusammenbrechen. Der Wandler arbeitet dann nicht mehr.

Durch die Verwirklichung mit zumindest zwei Hebeleinrichtungen lässt sich noch erreichen, dass nur noch ein Freiheitsgrad ".übrigbleibt, u.zw. eine Bewegung ausschliess Ixch in der Auslenkungsrichtung der Membran. Der Vorteil dabei ist, dass eine spezielle Zentrierung beispielsweise mittels Zentriermembrane überflüssig wird, so dass die üblichen Zentrxerringe entfallen könnnen. Ausserdem bietet diese Massnahme, insbesondere bei Wandlern mit einer Flachmembran den Vorteil, dass das Federelement, das einerseits spwohl am Umfang der Membran als auch aum Chassis des Wandlers befestigt ist und in N rmalfällen sowohl eine Zentrier- als auch eine Luftabdichtungsfunktion hat, in diesem Fall keine Zentrierfunktion, sondern nur eine Luftabdichtungsfunktion zu erfüllen braucht. Hierdurch können die Anforderungen an das Federelement viel weniger streng sein. Obiges gilt jedoch nur dann, wenn die Hebelelemente sich nahezu ideal verhalten, d.h. dass jede Hebeleinrichtung sich im wesentlichen in einer zugeordneten flachen Ebene bewegt.

Eine Ausführungsform des elektro-akustischen Wandlers nach der Erfindung mit einem elektromechanischen Betätigungsglied in Form eines Magnetsystems und mit einer auf einem Sprechspulenkörper angeordneten Sprechspule, die in einem Luftspalt des Magnetsystems angeordnet ist,

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ist dadurch gekennzeichnet, dass eine Hebeleinrichtung einen Hebelarm enthält, der an der Stelle einer ersten Position auf dem Hebelarm mit einem festen Punkt gekoppelt ist, der an der Stelle einer zweiten Position auf dem Hebel arm mit dem Sprechspulenkörper und an der Stelle einer dritten Position auf dem Hebelarm mit der Membran gekoppelt ist.

Durch die Wahl eines grösseren Abstands zwischen der ersten und der dritten Position auf dem Hebelarm als der Abstand zwischen der ersten und der zweiten Position auf dem Hebelarm kann eine Membranauslenkung verwirklicht werden, die grosser als die Auslenkung des Sprechspulenkörpers ist. Die dritte Position auf dem Hebelarm befindet sich im allgemeinen an der Stelle des einen Endes des Hebelarms oder kurz in der Nähe. Die erste Position kann sich beispielsweise an der Stelle des anderen Endes des Hebelarms oder kurz in der Nähe befinden. Dabei liegt die zweite Position zwischen der ersten und der dritten Position. Jedoch auch umgekehrt kann die zweite Position sich an der Stelle des anderen Endes des Hebelarms oder kurz in der Nähe davon befinden und liegt die erste Position zwischen der zweiten und der dritten Position.

Eine erste bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemässen elektro-akustischen Wandlers ist dadurch

. 25 gekennzeichnet, dass der Hebelarm an der Stelle der ersten Position über ein erstes gelenkiges Element mit dem festen Punkt, an der Stelle der zweiten Position über ein zweites gelenkiges Element, eine erste Stange und ein drittes gelenkiges Element mit dem Sprechspulenkörper, und an der Stelle der dritten Position über ein viertes gelenkiges Element, eine zweite Stange und ein fünftes gelenkiges Element mit der Membran gekoppelt ist. Eine zweite bevorzugte Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, dass der Hebelarm an der Stelle der dritten Position über ein erstes gelenkiges Element mit der Membran, an der Stelle der zweiten Position über in zweites gelenkiges Element, eine erste Stange und ein drittes gelenkiges Element mit dem Sprechspulenkörper, und an der Stelle der ersten Position über

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ein viertes gelenkiges Element, eine zweite Stange und ein fünftes gelenkiges Element mit dem Festpunkt gekoppelt sind. In der ersten bevorzugten Ausführungsform befindet sich die zweite Stange zwischen dem Hebelarm und der Membran und bewegt sich dadurch translatorisch entsprechend der Translation (d.h. der Auslenkung) der Membran. Die bewegliche Wandlermasse ist in diesem Fall im wesentlichen gleich der Summe des Gewichts der Membran, des Gewichts der zweiten Stange und des Gewichts des Sprechspulenkörpers und der Sprechspule. In der zweiten bevorzugten Ausführungsform jedoch ist die zweite Stange über ein gelenkiges EIe- ^r-v ment am Festpunkt befestigt. Die Folge davon, ist, dass die zweite Stange in diesem Falle keine Translation, sondern eine Rotation ausführt. Die bewegliche Wandlermasse wird in diesem Fall also geringer. Bei gleichen Gewichten für die entsprechenden Teile ist daher der Wirkungsgrad der elektro-akustischen Umwandlung für die zweite bevorzugte Ausführungsform höher.

Beide Ausführungsformen bieten den Vorteil, dass der Angriffspunkt der Hebeleinrichtung auf der Membran eine Bewegung auf einer nahezu geraden Linie durchführt, die in einer Richtung entsprechend der gewünschten Bewegungsrichtung der Membran liegt. Die bekannte Hebeleinrichtung bietet diesen Vorteil nicht. Der Angriffspunkt f** 25 bewegt sich dort gerade entlang einer kreisförmig gekrümmten Linie, bewegt sich also in einer Richtung senkrecht zur gewünschten Bewegungsrichtung der Membran wodurch zusätzliche Verzerrungen auftreten.

In der zweiten bevorzugten Ausführungsform werden ausserdem vorzugsweise, das erste, zweite und vierte gelenkige Element bzw. das erste, dritte und fünfte gelenkige Element fluchtend gemacht. Hierdurch entsteht eine lineare Auslenkungsvergrösserung zwischen der Sprechspul enkörperauslenkung und der Membranauslenkung, so dass die Hebeleinrichtung nahezu keinen Beitrag zur Verzerrung des Ausgangssignals des Wandlers liefert. Die gelenkigen Elemente können Blattfedern und/oder Kreuzfederscharniere sein, jedoch werden vorzugsweise zumindest das erste,

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das zweite und das vierte gelenkige Element als Kreuzfederscharniere ausgeführt. Denn das dritte und das fünfte gelenkige Element müssen nur über einen spitzen ¥inkel drehen können, so dass in diesem Falle Blattfedern genügen. Das erste, das zweite und das vierte gelenkige Element müssen jedoch über einen grösseren Winkel drehen, so dass in diesem Fall Blattfedern weniger gut verwendbar sind. Vorzugsweise werden Kreuzfederscharniere benutzt, da sie über einen grösseren Winkel ihre Federcharakteristik beibehalten. Der Festpunkt kann sich im Sprechspulenkörper oder in seiner Verlängerung befinden und an dem im Sprechspulenkörper liegenden Teil des Magnetsystems befestigt sein. Der Festpunkt kann in diesem Fall für alle Hebeleinrichtungen gemeinsam sein. Im allgemeinen soll das Federelement, das sowohl am Aussenumfang der Membran als auch am Chassis des Wandlers befestigt ist, einige Anforderungen genügen.

Zunächst hat das Federelement eine zentrierende Funktion. Weiter hat das Federelement eine Luftabdichtungsfunktion, und zwar um akustischen Kurzschluss zwischen Vorder- und Rückseite der Membran zu vermeiden, wenn der Wandler in eine Schallwand aufgenommen ist.

In allen Fällen muss das Federelement selbstverständlich die Möglichkeit haben, die maximale Auslenkung der Membran zuzulassen. Das Buch "Acoustics" von L.L. Beranek zeigt in Fig. 7·1 ein Federelement, dass mit der Bezugsziffer 2 bezeichnet ist. Dieses Federelement kann meistens nur einen sehr beschränkten Hub zulassen, so dass ein derartiges Federelement meist nicht verwendbar ist in elektro-akustischen Wandler mit grossem Hub. Das insbesondere bei grossen Auslenkungen nicht lineare Verhalten des Federelements bewirk nämlich eine hohe Verzerrung des Ausgangssignals des Wandlers. In der US-PS 3 019 849 (siehe Fig. 1) wird ein Federelement beschrieben, das die Möglichkeit zum Erlauben einer grossen Auslenkung der Membran gibt. Das Federelement ist darin als einen harmonika-förmigen Balgen ausgeführt. Dennoch zeigt es sich, dass der aus der US-Patentschrift

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bekannte Wandler immer noch einen hohen Verzerrungspegel im Ausgangssignal besitzt.

Zur Vermeidung der Erscheinung ist der akustische Wandler, der mit einem Federelement ausgerüstet ist, das sowohl am Aussenumfang der Membran als auch an einem Chassis des Wandlers befestigt ist, und welches Federelement als einen harmonikaförmigen Balgen ausgeführt ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Balgen an der Stelle eine Anzahl gleicher Schnitte senkrecht zur Bewegungsrichtung der Membran mit Festigungsmitteln zum mindestens ungefähren Konstanthalten der Schnitte ausgerüstet ist, auch bei einer S^. Auslenkung der Membran.

Diese Massnahme basiert auf der Erkenntnis, dass bei elektro-akustischen Wandlern, wie aus der US-Patentschrift bekannt, das Federelement einen Beitrag zum akustischen Ausgangssignal des Wandlers liefert. Dieser Beitrag ist unerwünscht und tritt als eine Verzerrung im Ausgangssignal in Erscheinung.

Die Erklärung dieses Beitrags ist wie folgt.

Eine (beispielsweise) sinusförmige Schwingung der Membran hat zur Folge, dass der harmonikaförmige Balgen sich ausdehnt und anschliessend eingedrückt wird. Beim Ausdehnen bzw. Eindrücken des Balgens entsteht im Balgen ein Unterdruck bzw. ein Überdruck, wodurch der B_algsn dünner bzw. f 25 dicker wird. Dies ergibt eine akustische Abstrahlung der Balgenoberfläche. Wie oben bereits erwähnt, ist diese Abstr'ahlung unerwünscht, da nur die Membran für die akustische Abstrahlung (das Ausgangssignal) des Wandlers sorgen muss. Durch das Anbringen der Festigungsmittel wird jetzt zumindest zum grössten Teil vermieden, dass der Balgen beim Ausdehnen bzw. beim Eindrücken dünner bzw. dicker wird. Der genannte akustische Beitrag des Balgens und damit die Verzerrung im Ausgangssignal des Wandlers lässt sich damit herabsetzen.

Die Festigungsmittel können beispielsweise aus steifen Ringen bestehen, die je an der Stelle eines der genannten Schnitte am (im) Balgen angebracht werden.

Es leuchtet ein, dass die Verwendung eines der-

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- ßo-

artigen Balgens insbesondere bei Wandlern mit einem langen Hub und ausgerüstet mit der erfindungsgemässen Hebeleinrichtung, besonders sinnvoll ist. Die Wahl der Stelle, an der die Festigungsmittel am (im) Balgen angebracht werden wird im wesentlichen von den Stellen (den Linien) bestimmt entlang denen der Balgen an der Membran bzw. am Chassis befestigt ist. Die genannten Linien, entlang denen der Balgen an der Membran und am Chassis befestigt ist, behalten nämlich auch bei einer Auslenkung der Membran die gleiche Umfangslänge bei, so dass für die Bestimmung der Stelle der Festigungsmittel vorzugsweise diejenigen Schnitte genommen werden, die gleich der erwähnten Linien sind (deren Umfangslänge gleich der Umfangslänge der erwähnten Linien sind). So kann es sein, dass die Festigungsmittel an der Stelle diejeniger Schnitte angebracht sind, deren Umfangslänge bei einem nicht ausgelenkten Zustand der Membran am grossten ist.

Eine weitere Herabsetzung der vom Balgen abgestrahlten akustischen Leistung lässt sich dadurch verwirklichen, dass die Oberflächen je zwei aufeinanderfolgender Ringe des Balgens, die durch das Durchschneiden des Balgens mit drei Ebenen senkrecht zur Bewegungsrichtung der Membran erhalten sind, wobei die Schnitte der ersten und der dritten Ebene mit dem Balgen Linien mit der klein-

, , 25 sten (oder gerade der grossten) Umfangslänge ergeben, und W

der Schnitt der zwischen der ersten und der dritten Ebene befindlichen zweiten Ebene eine Linie mit der grössten (oder gerade der kleinsten) Länge ergibt, unter einem Winkel von 2 X aneinander anschliessen, wobei im nicht ausgelenkten Zustand der Membran der Winkel zumindest etwa gleich 90 ist, wobei noch vorzugsweise gilt, dass für jeden ausgelenkten Zustand der Membran der Winkel, unter dem die zwei Ringe aneinander anschliessen, immer zwischen 6O und 120° liegt.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend an Hand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines elektro-akustischen Wandlers mit einem Hebelmechanisrnus,

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wobei in Fig. 1a eine Draufsicht auf den Wandler bei entfernter Membran und entferntem Federelement, in Fig. b einen Schnitt und in Fig. 1c ein Hebeleinrichtung im ausgelenkten Zustand der Membran dargestellt ist, Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel,

Fig. 3 einen bekannten harmonikaförmigen Balgen, Fig. 4 ein Ausführungsbeispiel eines elektroakustischen Wandlers mit einem harmonikaförmigen Balgen nach der Erfindung, und

Fig. 5 schematisch einen Teil des harmonika-

förmigen Balgens nach Fig. 4.
-^ In Fig. 1a ist eine Draufsicht auf ein erstes

Ausführungsbeispiel des erfindungsgemässen Wandlers dargestellt, wobei die Membran und das Federelement 25 entfernt sind. Die Membran 1 ist in Fig. 1a nur mit einer gestrichelten Linie, dargestellt. In Fig. 1b ist ein Schnitt entlang der strichpunktierten Linie B-B in Fig. 1a dargestellt. Der Wandler enthält ein Magnetsystem 4 und eine auf einem Sprechspulenkörper 2 angeordnete Sprechspule 3> die in einem Luftspalt 5 des Magnetsystems 4 angeordnet ist. Die Bewegungsübertragung vom Sprechspulenkörper auf die Membran erfolgt über eine Hebeleinrichtung. Der Wandler in Fig. 1 enthält drei Hebeleinrichtungen 6, 7 und 8_} die unter einem Winkel in bezug aufeinander angeordnet Γ*- 25 sind.

Grundsätzlich könnte man mit zwei Hebeleinrichtungen auskommen, die unter einem Winkel kleiner als 180 , beispielsweise 90 > iⁿ bezug aufeinander angeordnet sind. Da jedoch die Hebeleinrichtungen immer eine quergerichte Weichheit haben (beispielsweise durch das nicht-ideale Verhalten des nachstehend zur erläuternden gelenkigen Elements), werden zum Erhalten einer möglichst guten Positionierung des Sprechspulenkörpers 2 im Luftspalt vorzugsweise drei oder mehr Hebeleinrichtungen verwendet. Der Winkel, unter dem die Hebeleinrichtungen in bezug aufeinander angeordnet sind, wird vorzugsweise gleich 3.^0 /n gewählt, wobei η die Anzahl der Hebeleinrichtungen angibt. So sind in Fig. 1b drei Hebeleinrichtungen dargestellt,

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die unter einem ¥±nkel von 120 in bezug aufeinander angeordnet sind.

Eine Heb eleinrichtung, wie mit der Bezugsziffer 6 in Fig. 1a und 1b bezeichnet, enthält einen Hebelarm 9, der an der Stelle einer Position 10 auf dem Hebelarm mit einem Festpunkt 11 gekoppelt ist. Der Festpunkt 11 befindet sich in der Verlängerung des Sprechspulenkörpers 2 und ist an dem im Sprechspulenkörper 2 liegenden Teil 12 des Magnetsystems k befestigt. Aus der Fig. 1a ist ersichtlich, dass der Festpunkt 11 für die drei Hebeleinrichtungen 6, 7 und 8 gemeinsam ist. Der Hebelarm 9 ist an der Stelle einer zweiten Position 13 auf dem Hebelarm mit dem Sprechspulenkörper und an der Stelle einer dritten Position 14 mit der Membran 1 gekoppelt. Die Kopplung mit dem Festpunkt 11 erfolgt mittels eines ersten gelenkigen Elements 15· Die Kopplung mit dem Sprechspulenkörper erfolgt über ein zweiten gelenkiges Element i6, eine erste Stange 17 und ein drittes gelenkiges Element 18, und die Kopplung mit der Membran 1 über ein viertes gelenkiges Element 19» eine zweite Stange 20 und ein fünftes gelenkiges Element 21. Die Hebeleinrichtung 6 gemäss Fig. 1a ist in einer Ebene beweglich, die von der Linie B-B bestimmt wird und senkrecht zur Zeichenebene in Fig. 1a verläuft. In Fig. 1b entspricht diese Ebene, wie jedenfalls aus der ι 25 Fig, 1c ersichtlich, der Zeichenebene. Für die Hebeleinrichtungen 7 und 8 gemäss Fig. 1a gilt, dass sie in einer Ebene beweglich sind, die die Linie C-C bzw. B-B bestimmt und gleichfalls senkrecht zur Zeichenebene in Fig, 1a verläuft.

Die gelenkigen Elemente 15» 16, 18, I9. und 21 können als Blattfedern oder als Kreuzfederscharniere ausgeführt werden. Die gelenkigen Elemente 18 und 21 drehen sich bei einer Auslenkung der Membran über einen derartige spitzen Winkel, dass für diese gelenkigen Elemente mit Blattfedern ausgekommen werden kann. Die gelenkigen Elemente 15i 16 und 19 drehen sich jedoch Über einen viel grösseren Winkel, so dass in diesem Fall Kreuzfederscharniere bevorzugt werden. In einer Ausführungsform mit zwei

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Hebeleinrichtungen -wird jedoch zumindest eine Hebeleinrichtung vollständig mit Kreuzfederscharnieren ausgerüstet, die das Gefüge auf diese Weise für Torsionsbewegungen möglichst versteifen, d.h. eine Rotation des Gefüges auf ein Mindestmass beschränken. Für eine Beschreibung der Theorie und der Anwendung von Blattfedern und Kreuzfederscharnieren sei auf folgende Veröffentlichungen verwiesen: I J. van Eijk, J.F. Dijksman: "Kruisveerscharnieren",

aus "de Constructeur" vom August I98I, S. 16-21. II J.F. Dijksman: "A study of some aspects of the mechanical behaviour of cross-spring pivots and plate spring λ, mechanism with negative stiffness", Dissertation Technische Hochschule Delft, WT-TH Bericht Nr. II6. Ill R. Breitingen: "Lösungskataloge für Sensoren", 1. Teil Krauskopf Verlag, Mainz 1976.

Ausserdem enthält die Veröffentlichung II noch ein Literaturverzeichnis mit etwa dreissig Hinweisen.

Ist der Abstand zwischen den gelenkigen Elementen 15 und 16 bzw. zwischen den gelenkigen Elementen I5 und 19» a bzw. b, ist die Auslenkung w der Membran bei einer Auslenkung u des Sprechspulenkörpers gleich u.— , so dass eine VergrÖsserung der Membranauslenkung um den Faktor — ver-

et

wirklicht ist. Dies ist in Fig. 1c angegeben, in der die Hebeleinrichtung 6 bei einem ausgel:ankten Zustand des Sprechspulenkörpers 2 und der Membran 1 dargestellt ist. Klar ersichtlich sind die Auslenkung u des Sprechspulenkörpers 2 und die Auslenkung w der Membran 1 in bezug auf ihre entsprechenden Ruhezustände wobei w durch -die Übertragung von der Hebeleinrichtung 6 grosser als die Auslenkung u des Sprechspulenkörpers ist. Weiter ist klar ersichtlich, dass die gelenkigen Elemente 15» 16 und 19 über einen grösseren Winkel als die gelenkigen Elemente 18 und 21 gedreht sind.

Durch die von den Hebeleinrichtungen bewirkte sehr gute Geradführung bewegt sich der Angriffspunkt der Hebeleinrichtung 6 mit der Membran an der Stelle des scharnierenden Elements 21 entlang einer nahezu geraden Linie die in einer Richtung entsprechend der Richtung der Zentral-

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achse 23 liegt (und damit der gewünschten Bewegungsrichtung der Membran 1 entspricht),

Es leuchtet ein, dass die Hebeleinrichtungen 7 und 8 auf gleiche Weise aufgebaut sind und auf gleiche Weise, wie oben für die Hebeleinrichtung 6 erläutert, funktionieren.

Der Wandler nach Fig. 1 ist mit einer Flachmembran dargestellt. Notwendig ist dies nicht. Auch andere Membranformen sind möglich, wie kalottenförmige- oder lconusförmige Membranen. Auch ist es nicht notwendig, dass die Membran rund ist. Es sind genau so gut beispielsweise viereckige, rechteckige oder eiförmige Membranen möglich. Die Anordnung der Hebeleinrichtungen 6, 7 und 8 sorgt dafür, dass die Sprechspule, der Sprechspulenkörper und die Membran zentriert werden und sich nur in Richtung auf die Zentralachse 23 bewegen können. Dadurch ist die Zentrierung des Sprechspulenkörpers, d.h. ein Zentrierring, überflüssig. Obiges gilt nur bei einem idealen Verhalten der gelenkigen Elemente: d.h. dass sie eine grosse quergerichtete Steifheit aufweisen und dass dadurch die Hebeleinrichtungen 6, 7 und 8 sich nur in den zugeordneten Ebenen bewegen, die von den entsprechenden Linien B-B, C-C und D-D bestimmt werden und senkrecht zur Zeichenebene in Fig. 1a verlaufen. Bei einem nicht idealen Verhalten der gelenkigen Elemente (beispielsweise durch eine unzulässig grosse quergerichtete Weichheit in den gelenkigen Elementen) bewegen sich die Hebeleinrichtungen 6, 7 und 8 auch ausserhalb der erwähnten Ebenen. Damit in diesem Fall die Sprechspule (der Sprechspulenkörper) im Luftspalt nicht anläuft, wird ein Zentrierring möglicherweise doch sinnvoll sein. Eine andere Möglichkeit ist, es, die Blattfedern und Kreuzfederscharniere breiter auszuführen, wodurch das ideale Verhalten wieder angenähert werden kann und weitere Zentriermittel überflüssig sind.

Das Federelement 25» das als harmonikaförmiger Balgen ausgeführt und sowohl am Aussenumfang der Membran als auch am Chassis 26 des Wandlers befestigt ist, hat im Idealfall, d.h. bei (nahezu) keiner quergerichteter Weich-

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heit im gelenkigen Element, genau sowenig eine zentrierende Funktion, sondern nur ein Luf tabdichtungsfunlction. Dies dient zur Vermeidung elektrischen Kurzschlusses zwischen Vorder- und Rückseite der Membran 1. Weiter muss das Federelement 25 die Möglichkeit haben, den grossen Hub der Membran 1 zuzulassen, ohne dass die Membran an ihrer Auslenkung gehindert wird. Die Wirkung und die Eigenschaften des Federelements 25 werden weiter unten an Hand der Fig. 4 und 5 erläutert. Es leuchtet ein, dass auch herkömmliche Federelemente verwendbar sind, wenn sie nur den grossen Hub der Membran 1 zulassen. Hinsichtlich der α Hebeleinrichtungen 6, 7 und 8 sei noch bemerkt, dass obgleich im Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 der Festpunkt 11 sich im Sprechspulenkörper oder in seiner Verlängerung befindet j dieser Punkt selbstverständlich genauso ausserhalb des Sprechspulenkörpers oder seiner Verlängerung hätte liegen können. Der Festpunkt 11 für die Hebeleinrichtung 6 wäre dabei mit dem ausserhalb des Sprechspulenkörpers 2 befindlichen Teil des Magnetsystems 4 verbunden und die Stange 20 würde sich gerade in der Verlängerung des Sprechspulenkörpers 2 befinden.

In Fig. 2 ist ein zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemässen Wandlers dargestellt, wobei wiederum eines der η Hebeleinrichtungen angegeben ist. Teile der Fig. 1 und Fig. 2 mit den gleichen Bezugsziffern sind gleich. Die Hebeleinrichtung 6 enthält wieder einen Hebelarm 9· Der Hebelarm ist an der Stelle der dritten Position 14 über ein erstes gelenkiges Element 30 mit der Membran 1, an der Stelle der zweiten Position 13 über das zweite gelenkige Element 16, die erste Stange 17 und das dritte gelenkige Element 18 mit dem Sprechspulenkörper 2 und an der Stelle der ersten Position 10 über ein viertes gelenkiges Element 31» eine zweite Stange 32 und ein fünftes gelenkiges Element 33 mit dem Festpunkt 11 gekoppelt. Die gelenkigen Elemente können wiederum Blattfedern oder Kreuzfederscharniere sein. Für die gelenkigen Elemente 16, 30 und 31 werden wieder vorzugsweise Kreuzfederscharniere gewählt. Die gelenkigen Elemente 16, 30 und 31

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fluchten. Die gelenkigen Elemente 18, 30 und 33 fluchten gleichfalls. Hierdurch, entstehen in jeder beliebigen Auslenkungsstellung der Membran zwei gleichschlenkige Dreiecke, von denen eines von den Positionen der gelenkigen Elemente 30, 31 und 33 und das andere durch die Positionen der gelenkigen Elemente 16, 18 und 30 gebildet werden. Die Folge davon ist eine genau lineare Auslenkungsvergrösserung zwischen der Sprechspulenkörperauslenkung und der Membranauslenkung, die durch die sehr gute Geradführung in einer Richtung entsprechend der Richtung der Linie 35 erfolgt. Die Hebeleinrichtung liefert d.h. nahezu keinen Beitrag zur Verzerrung des Ausgangssignals des Wandlers. Die Membran 1 ist als kalottenförmiges Membran ausgeführt. Jedoch auch andere Membranformen sind möglich, gegebenenfalls mit einigen Abwandlungen der Hebeleinrichtung. So wird beim Antrieb einer Flachmembrane zwischen dem gelenkigen Element 14 und der Membran noch eine zusätzliche Stange angebracht werden müssen, die sowohl positive als negative Auslenkungen der Flachmembran ermöglicht. Das Anbringen einer zusätzlichen Stange zwischen dem gelenkigen Element 14 und der Membran 1 erhöht jedoch die bewegliche Masse des Systems. Dies ist nachteilig, da hierdurch der Wirkungsgrad des elektro-akustischen Wandlers herabgesetzt wird.
. 25 Aus obiger Beschreibung geht hervor, dass der

Wirkungsgrad eines Wandlers mit der Hebeleinrichtung nach Fig. 1 niedriger als der Wirkungsgrad eines gleichen Wandlers (mit einer gleichen Membranart) mit der Hebeleinrichtung nach Fig. 2 ist. Xn der Ausführung nach Fig. bewegt sich nämlich die zweite Stange 20 translatorisch entsprechend der Translation (Auslenkung) der Membran. Die bewegliche Masse ist in diesem Fall im wesentlichen gleich der Summe der Massen der Membran 1, der zweiten Stange 20 und des Sprechspulenkörpers mit der Sprechspule. In der Hebeleinrichtung nach Fig. 2 befindet sich keine Stange zwischen dem Hebelarm 9 und der Membran 1. Also ist die bewegliche Masse nied.. Iger und der Wirkungsgrad höher. Die zweite Stange 32 in Fig. 2 führt nur eine

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(ganz kleine) Drehung (Rotation) und keine Translation aus.

Als zwischen Aussenumfang der Membran 1 und dem Chassis 26 des Wandlers gekoppeltes Federelement 36 ist in diesem Fall eine konventionellere Ausführung gewählt, wobei selbstverständlich als Anforderung gelten soll, dass das Federelement 36 die maximale Auslenkung des Wandlers ermöglicht. Für grosse Membranauslenkungen wird ein derartiges Federelement jedoch nicht brauchbar sein. Das insbesondere bei grossen Auslenkungen nicht lineare Verhalten des Federelements bewirkt nämlich eine hohe Verzerrung des Ausgangs signal des Wandlers, In Fj_g. 3 ist schematisch ein Schnitt durch den aus der US-PS 3 019 bekannte harmonikaförmige Balgen dargestellt. Dieser Balgen hat immerhin die Möglichkeit, grosse Membranauslenkungen zuzulassen. Der bekannte Balgen hat jedoch den Nachteil, dass er einen Beitrag zum akustischen Ausgangssignal des Wandlers liefert. Dieser Beitrag ist unerwünscht, da nur die Membran für das akustischen Ausgangssignal des Wandlers sorgen muss. Das Entstehen des akustischen Beitrags des Balgens zum Ausgangssignal des Wabdkers lässt sich an H_and der Fig, 3 erläutern. Der Schnitt durch den Balgen 4θ mit einer Ebene senkrecht zur Bewegungsrichtung"der Membran (diese Richtung ist in Fig. 1 mit den Pfeilen 41 angedeutet) ergibt, eine Linie. Diese Linie ist eine ge s chi ο ssene Linie und bildet einen Kreis, wenn der Balgen kreuzförmig ist. Die Länge dieser Linie (die Umfangslinie des Kreises) schwankt mit einer Verschiebung der erwähnten Ebene in einer Richtung entsprechend den Pfeilen 41. So sind Linien mit einer Mindestlänge mit der Bezugsziffer 42, u.zw. an der Stelle, an der der Balgen am schmälsten ist, und Linien mit einer Hächstlänge mit der Bezugsziffer 43 bezeichnet, u.zw. an der Stelle, an der der Balgen am breitsten (oder am dicksten) ist. Die gestrichelten Linien 44 und 44' verbinden die Mitten (45 und 45') der Seiten 46 bzw. 46" des Balgens miteinander.

Wenn der Balgen nach Fig. 3 in einen elektroakustischen Wandler afgenommen ist, ist der Raum 47 im Balgen ein Raum, der von der Balgenwand und weiter von

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der Membran an der Oberseite des Balgens und vom Magnetsystem des elektro-akustischen Wandlers an der Unterseite abgeschlossen wird.

Beim Ausziehen des Balgens in einer mit den Pfeilen 4i angegebenen Richtung durch eine Auslenkung der Membran (der Einfachheit halber sei angenommen, dass infolgedessen sowohl die Unterseite des Balgens in Fig, 3 nach unten als auch die Oberseite des Balgens in Fig. 3 nach oben verschoben wird, und dass die Mitte etwa an ihrer Stelle bleibt) entsteht ein Unterdruck im Raum 47.

Die Mitte 45 und 45' werden hierdurch nicht nur in der Auslenkungsrichtung 4i der Membran, sondern auch nach rechts bzw. nach links in der Zeichnung der Fig. 3 verschoben. Der Balgen wird dünner. Dies ist in Fig. 3 dadurch dargestellt, dass die gestrichelten Linien 44 und 44' bei dieser Ausziehung des Balgens in die gestrichelten Linien 48 und 48' übergehen, die die Mitten 45 und 45' im ausgezogenen Zustand des Balgens verbinden. Bei einem Eindrücken des Balgens dagegen entsteht ein Überdruck im Raum 47.

Die Mitten 45 und 45' bewegen sich dabei nicht nur in der Auslenkungsrichtung 41 der Membran, sondern auch nach links bzw. nach rechts in der Zeichnung nach Fig. 3. Der Balgen wird dicker. Dies ist in Fig. 3 dadurch dargestellt, dass die gestrichelten Linien 44 und 44' bei diesen Eindrückung des Balgens in die gestrichelten Linien 49 und 49' übergehen, die die Mitten 45 bzw. 45' in einem eingedrückten Zustand des Balgens verbinden. Das Ergebnis dabei ist, dass die Balgenwand ein akustisches Signal erzeugt. Dieser Beitrag zum akustischen Ausgangssignal des Wandlers ist, wie bereits angegeben wurde, unerwünscht.

In Fig. 4 ist ein elektro-akusrischer Wandler mit einem harmonikaförmigen Balgen nach der Erfindung dargestellt, wobei der akustische Beitrag des Balgens wesentlich herabgesetzt ist. Die erfindungsgemässen Massnahme beinhaltet, dass der Balgen an der Stelle einer Anzahl gleicher Schnitte senkrecht zur Bewegungsrichtung der Membran gibt Festigungsmitteln zum wenigstens ungefähren Konstanthalten dieser Schnitte versehen ist, auch bei

ΟΟΔ \ Δ / Ö

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einer Auslenkung der Membran. Dies lässt sich, beispielsweise durch das Anbringen steifer Ringe am (im) Balgen erzielen. Für den Balgen nach Fig. 4 sind es die Schnitte entlang der Linien 43, u.zw. die Schnitte, für die die Umfangslänge im nicht ausgelenkten Zustand der Membran am grössten ist, die konstant bleiben. In Fig. 4 ist dies durch das Anbringen der Ringe 52 bewirkt. Die Wirkung des Balgens ist in Fig. 5 schematisch dargestellt.

In Fig. 5 ist der Teil des Balgens nach Fig. 4 mit V bezeichnet. Die zwei Ringe des Balgens, die durch diejenigen Teile des Balgens zwischen den zwei Linien 43 und der einen Linie 42 gebildet werden, befinden sich in einem Ruhezustand des Balgens (d.h. bei einem nicht ausgelenkten Zustand der Membran) unter einem Winkel von 2 OC in bezug aufeinander. D.h. der Winkel zwischen den Abschnitten AB und AC in Fig. 5 beträgt 2 >X . In einem ausgezogenen Zustand des Balgens befinden sich die Ringe unter einem grösseren Winkel /J = 2 ( x. + d >c) in bezug aufeinander.

Die erfindungsgemässe M_assnahme beinhaltete, dass die Umfangslänge der Linien 43 sowohl im Ruhezustand als im ausgezogenen Zustand des Balgens konstant sein soll. Dies in Fig. 5 dadurch dargestellt, dass die Punkte E, B, C und F fluchten.

Der Unterschied in der Oberfläche des Dreiecks ABC und des Dreiecks EDF ist jetzt ein Mass für den akustischen Beitrag des Federelements 50 zum Ausgangssignal des Wandlers. Die Oberfläche des Dreiecks ABC ist gleich

1 sin^ cos ^ ( 1 )

und die Oberfläche des Dreiecks DEF ist gleich

1 sin( Λ + d'v) cos( ·■■<-+ dx) (2)

so dass der Unterschied gleich

2' 1

1 ! sin(»V + d«\) cos(iv+ d"v) -sinv*». cos 'VJ (3)

Oben wurde davon ausgegangen, dass die Länge der Abschnitte AB, AC, DE und DF alle gleich ■' sind.

Durch Differenzierung der Formel (3) nach x. lässt sich errechnen, dass der Beitrag des Balgens, d.h. das Ergebnis der Formel (3) minimal ist, wenn V= 45 > oder der Winkel

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zwischen den Oberflächen der Ringe soll 90 sein. Vorzugsweise wird abhängig von der maximalen Auslenkung der Membran das Federelement derart ausgelegt, dass für einen beliebigen ausgelenkten Zustand der Membran der ¥inkel zwischen- zwei Ringen des Balgens eine maximale Variation von ± 30° um 90° erfährt. D.h. dass 60°< / 5 < 1 20° . Auf diese Weise kann erzielt werden, dass der akustischen Beitrag des Balgens möglichst niedrig ist. Die Befestigung des Balgens beim Wandler nach Fig. 4 entlang einer Linie mit maximaler Länge an der Membran 1 einerseits und am Chassis 26 andererseits bestimmt faktisch die Wahl, welche Schnitte konstant bleiben. Die Befestigung des Balgens an der Membran und am Chassis (in diesem Fall eine Linie mit maximaler Länge) ändert bei einer Auslenkung der Membran selbstverständlich nicht die Länge. In diesem Fall werden daher die Linien 43 als diejenigen Linien gewählt, die auch bei einer Auslenkung einen konstanten Wert behalten.

Es wäre auch möglich gewesen, dass der Balgen gerade entlang einer Linie mit minimaler Länge an der Membran und am Chassis befestigt worden war. In diesem Fall werden die Linien 42 versteift. Im allgemeinen kann der Balgen jedoch auch an Stellen versteift werden, die zwischen den minimalen und maximalen Schnitten liegen, wenn nur die Schnitte im Ruhezustand des Balgens eine gleiche Umfangslänge besitzen.

Der harmonikaförmige Balgen nach der Erfindung gemäss der obigen Beschreibung und an Hand der Beschreibung nach Fig. 5 ist um allgemeinen in allen elektro-akustischen Wandlern verwendbar, in denen es sich um die Herabsetzung der Verzerrung durch den akustischen Beitrag der bekannten Federelemente handelt, also auch in Wandlern nach dem Stand der Technik. Es wird dabei den Aufbau gemäss Fig. erhalten. Der Balgen ist jedoch insbesondere in elektroakustischen Wandlern mit einem langen Hub verwendbar, also auch beim Wandler mit der Hebeleinrichtung nach der Erfindung gemäss Fig. 1 oder 2.

Es sei erwähnt, dass sich die Erfindung nicht auf

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elektro-akustischen Wandler beschränkt, wie sie in den Ausführungsbeispielen dargestellt sind. Die Erfindung ist weiter auch in denjenigen elektro-akustischen Wandlern verwendbar, die sich in nicht auf den Erfindungsgedanken beziehenden Punkten der dargestellten Ausführungsbeispiele unterscheiden.

So bezieht sich die Erfindung gleichfalls auf elektro-akustische Wandler in Form beispielsweise piezokeramischer Wandler, bei denen das elektromechanisch^ Betätigungsglied ein piezo-keramisches Zweischichtenelement (bimorph) ist. Ein derartiges (kreisförmiges) Element kann in einen Zentralteil eingeklemmt und mit einem festen Punkt gekoppelt sein, bespielsweise mit dem Chassis des Wandlers. Auf dem Umfang des piezo-keramischen EIements können zwei oder mehrere Hebeleinrichtungen angeordnet sein, über die das Element mit der Membran gekoppelt isi.

Leerseite

Claims

• · • · t PHN 10.378 ftf* 20-5-1983 PATENTANSPRÜCHE:

1. Elektro akustischer Wandler mit einer Membran und einem elektro-mechanischen Betätigungsglied, bei dem das elektromechanische Betätigungsglied mit der Membran über eine Hebeleinrichtung zum Übertragen der Bewegung des elektromechanischen Betätigungsglieds auf die Membran gekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Wandler η Hebeleinrichtungen enthält, die unter einem Winkel in bezug aufeinander oder in bezug auf eine Zentralachse des Wandlers angeordnet sind (n*2, wobei für η = 2 dieser Winkel kleiner als 180 und für η > 3 der Winkel vorzugsweise gleich ^- ist) .

2, Elektro-akustischer Wandler nach Anspruch 1, mit einem elektromechanischen Betätigungsglied mit einem Magnetsystem und einer auf einem Sprechspulenkörper angeordneten Sprechspule, die im Luftspalt des Magnetsystems angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine Hebeleinrichtung einen Hebelarm enthält, der an der Stelle einer ersten Position auf dem Hebelarm mit einem Festpunkt gekoppelt ist, der an der Stelle einer zweiten Position auf dem Hebelarm mit dem Sprechspulenkörper und an der Stelle einer dritten Position auf dem Hebelarm mit der Membran gekoppelt ist.

3· Elektro-akustischer Wandler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Hebelarm an der Stelle der ersten Position über ein erstes gelenkiges Element mit dem Festpunkt, an der Stelle der zweiten Position über ein zweites gelenkiges Element, eine erste Stange und ein drittes gelenkiges Element mit dem Sprechspulenkörper und an der Stelle der dritten Position über ein viertes gelenkiges Element, eine zweite Stange und ein fünftes gelenkiges Element mit der Membran gekoppelt ist.

4. Elektro-akustischer Wandler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Hebelarm an der Stelle

/2o

PHN 10.378 /2o 20-5-1983

der dritten Position über ein erstes gelenkiges Element mit der Membran, an der Stelle der zweiten Position über ein zweites gelenkiges Element, eine erste Stange und ein drittes gelenkiges Element mit dem Sprechspulenkörper und an der Stelle der ersten Position über ein viertes gelenkiges Element, eine zweite Stange und ein fünftes gelenkiges Element mit dem Festpunkt gekoppelt ist.

5· Elektro-akustischer ¥andler nach. Anspruch 4,-dadurch gekennzeichnet, dass das erste, zweite und vierte gelenkige Element bzw. das erste, dritte und fünfte gegelenkige Element fluchten.

6. Elektro-akustischer Wandler nach einem der Ansprüche 3 bis 5> dadurch gekennzeichnet, dass die gelenkigen Elemente Blattfedern und/oder Kreuzfederscharniere sind.

7. Elektro-akustischer Wandler nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest das erste, das zweite und das vierte gelenkige Element Kreuzfederscharnie re sind.

8. Elektro-akustischer Wandler nach einem der Ansprüche 2 bis 7> dadurch gekennzeichnet, dass der Festpunkt sich im Sprechspulenkörper oder in seiner Verlängerung befindet und an dem im Sprechspulenkörper liegenden Teil des Magnetsystems befestigt ist.

9· Elektro-akustischer Wandler mit einer Membran und einem Federelement, das sowohl am Aussenumfang der Membran als auch an einem Chassis des Wandlers befestigt ist, welches Federelement als einen harmonikaförmigen Balgen ausgeführt ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Balgen an der Stelle einer Anzahl gleicher Schnitte senkrecht zur Bewegungsrichtung der Membran mit Festigungsmitteln zum zumindest ungefähren Konstanthalten dieser Schnitte auch bei einer Auslenkung der Membran versehen ist.

10. Elektro-akustischer Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Wandler mit einem Federelement ausgerüstet ist, das sowohl am Aussenumfang der Membran als auch an einem Chassis des

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Wandlers befestigt ist, welches Federelement als einem harmonikaförmigen Balgen ausgeführt ist, und dass der Balgen an der Stelle einer Anzahl gleicher Schnitte senkrecht zur Bewegungsrichtung der Membran mit Festigungsmitteln zum zumindest ungefähren Konstanthalten dieser Schnitte auch bei einer Auslenkung der Membran versehen ist.

11. Elektro-akustischer Wandler nach Anspruch 9

oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Festigungsmittel an der Stelle derjenigen Schnitte angebracht sind, für die die Umfangslänge bei einem nicht ausgelenkten Zustand der Membran am grössten ist.

12. Elektro-akustischer Wandler nach Anspruch 9» 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche stets zwei aufeinanderfolgender Ringe des Balgens, die durch das Durchschneiden des Balgens mit drei Ebenen senkrecht zur Bewegungsrichtung der Membran erhalten sind, wobei die Schnitte der ersten und der dritten Ebene mit dem Balgen Linien mit der kleinsten (oder gerade der grössten) Umfangslänge ergeben, und der Schnitt der zwischen der ersten und der dritten Ebene befindlichen zweiten Ebene eine Linie mit der grössten (oder gerade der kleinsten) Länge ergibt, unter einem Winkel von 2x aneinander anschliessen, wobei in dem nicht ausgelenkten Zustand der Membran der Winkel zumindest etwa gleich ist.

13· Elektro-akustischer Wandler nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass für jeden ausgelenkten Zustand der Membran gilt, dass der Winkel, unter dem die erwähnten zwei Ringe aneinander anschliessen, immer zwischen 60 und 120° liegt.