DE3413345A1

DE3413345A1 - Magneto-dynamischer schallsender

Info

Publication number: DE3413345A1
Application number: DE3413345A
Authority: DE
Inventors: Bengt Malmö Holm
Original assignee: KOCKUMATION AB
Current assignee: KOCKUMATION AB
Priority date: 1983-04-08
Filing date: 1984-04-09
Publication date: 1984-10-11
Also published as: SE8301940D0; SE452541B; KR840008738A; SE8301940L; JPS6035899A

Description

BESCHREIBUNG

Die Erfindung betrifft einen magneto-dynamischen Schallsender.

Eine Druckwelle, z.B. ein Schall, läßt sich mit Hilfe elektromagnetischer Kräfte erzeugen, üblicherweise' sind hierzu ein aus Permanentmagneten bestehendes stationäres System und ein bewegliches Spulensystem zusammenwirkend angeordnet. Die Anzahl der Wicklungen des Spulensystems und der momentane Strom in dem System bestimmen die Betätigungskraft des beweglichen Spulensystems und somit die Amplitude und die Frequenz der Bewegung des Spulensystems. Das Spulensystem kann mit einer leichten und formbeständigen, jedoch elastisch beweglichen Membran verbunden sein, die die Umgebungsluft bewegt und eine Druckwelle (Schall) erzeugt. Die Membran kann ziemlich kleine Abmessungen haben, jedoch muß sie dann gegen eine relativ hohe, durch ein Schallhorn dargestellte Impedanz arbeiten, wobei die Membran eine Wand einer mit dem Schallhorn verbundenen Druckkammer bildet.

Lautsprecher mit dem oben geschilderten Aufbau werden als Druckkammer-LautSprecher bezeichnet und für gewöhnlieh dann eingesetzt, wenn eine hohe Schalleistung erforderlich ist. Wird eine sehr hohe akustische Leistung in der Größenordnung von 100 Watt oder mehr benötigt, so läßt sich das bewegliche Spulensystem nur mit großen Schwierigkeiten konstruieren. Es läßt sich nicht vermeiden, daß das System eine für eine effiziente Arbeitsweise zu große Masse besitzt. Die Druckwelle stellt

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Ι einen gewissen Widerstand gegenüber der Bewegung des

beweglichen Systems dar. Dieses Phänomen ist besonders problematisch, wenn das System in solchen Schallsendern vorwendet wird, in denen das Resonanzhorn so geformt ο und dimensioniert ist, daß sich bei einer bestimmten Frequenz oder innerhalb eines vorbestimmten engen Frequenzbereichs Resonanz ergibt. Es läßt sich bei einem solchen Schallsender die Möglichkeit, mit einer hohen Druckamplitude zu arbeiten, nur in einem sehr geringen Umfang ausnutzen. Die Bewegungsamplitude des Spulensystems und mithin der Membran sind aufgrund des erhöhten akustischen Widerstands klein, und als Folge dieser Tatsache erhält man trotz entsprechender Maßnahmen praktisch keine Leistungszpnahme. In anderen Worten: Der Wirkungsgrad einer solchen Anordnung ist zu niedrig. Demgegenüber läßt sich ein hoher Wirkungsgrad bei solchen Schallsendern erreichen, die mit einem von einem Kurbelmechanismus angetriebenen Kolben arbeiten, der innerhalb eines mit einem Resonanzhorn verbundenen Zylinders hin- und hergeht; denn der Kolbenhub ist völlig unabhängig von der Impedanz. Ein Nachteil dieser Art von Schallsendern besteht jedoch vor allem darin, daß zwischen dem Kolben und dem Zylinder mit einem gewissen Verschleiß zu rechnen ist. Außerdem treten Abdichtungsprobleme auf, und im Hinblick auf mechanische und dynamische Eigenschaften ist ein durch die Kurbelanordnung hervorgerufenes Schwingen nicht besonders vorteilhaft.

Die NL-C-84 461 beschreibt ein Gerät zum Umsetzen einer in einer Richtung erfolgenden Drehbewegung in eine Hin- und Herbewegung, oder umgekehrt. Das Gerät besitzt eine Membran, die von einer magneto-dynamischen Antriebseinrichtung betätigt wird, wobei die Antriebseinrichtung ein magnetisches Feld in bezug auf die Membran dreht, um eine periodische Schwingung der

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Membran hervorzurufen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen magnetodynamischen Schallsender zu schaffen, der sich gleichzeitig durch einen hohen Wirkungsgrad und eine hohe

akustische Leistung auszeichnet, und der dennoch eine einfache Antriebseinrichtung besitzt. Hierzu soll das oben erwähnte magneto-dynamische Prinzip angewendet werden.
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Diese Aufgabe wird bei einem magneto-dynamischen Schallsender durch die im Kennzeichnungsteil des Anspruchs angegebenen Merkmale gelöst.

im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Axialschnittansicht einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Schallsenders,

Pig. 2 eine Teil-Querschnittansicht des in Fig. 1 dargestellten Schallsenders,

Fig. 3 eine Axialschnittansicht einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Schallsenders,

Fig. 4 eine Querschnittansicht einer dritten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Schall

senders, und

Fig. 5 eine Axialschnittansicht entlang der Linie

V-V in Fig. 4.
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—ΤΙ Der in den Figuren 1 und 2 dargestellte Schallsender enthält ein zylindrisches Gehäuse 10, in dem an dessen Enden ein elastischer Kontraktionszylinder fest montiert ist. Innerhalb des Kontraktionszylinders ist in dem Gehäuse eine zentrale zylindrische, starre Hülse 12 aus nicht-magnetischem Material angeordnet, so daß ein Ringraum 13 zwischen dem Kontraktionszylinder 11 und der Hülse 12 gebildet wird. Dieser Ringraum bildet eine Druckkammer. An einem Ende des Gehäuses schließt sich ein konischer Endabschnitt 14 an, der zusammen mit einem konischen Endabschnitt 15, welcher mit der Hülse 12 verbunden oder mit dieser einstückig ausgebildet ist, einen ringförmigen Durchlaß 16 bildet, der mit der Druckkammer 13 strömungsverbunden ist. Der ringförmige Durchgang verbindet die Druckkammer mit einem in der Zeichnung teilweise dargestellten Resonanzhorn 17.

An dem anderen Ende des Gehäuses 10 ist ein Elektromotor 19 montiert, dessen Welle 19 koaxial in die Hülse 12 vorspringt. Mit der Welle 19 ist ein mindestens teilweise aus magnetischem Material bestehender Rotor 20 verbunden, der von der Hülse 12 eingeschlossen wird. Der Rotor besitzt eine Anzahl von paarweise und in gleichen Abständen um den Rotor herum angeordneten Permanentmagneten 21. Die Magnete jedes Paares springen radial nach außen vor und besitzen entgegengesetzte Polarität, was in der Zeichnung angedeutet ist. Somit wird das magnetische Feld über den Rotor zwischen den inneren Enden des Magneten geschlossen. Zwischen den äußeren Enden der Magnete herrscht ein starkes Magnetfeld. In den Kontraktionszylinder 11 sind - wie in Figur 2 gezeigt ist - sich axial erstreckende ferromagnetische, flexible Stangen 22 eingebettet, deren Anzahl und Abstand untereinander der Anzahl und dem Abstand der Paare von Magneten 21

ι entspricht. Um elektromagnetisch induzierte Wirbelströme zu vermeiden, sind die Stangen 22 vorzugsweise als Bündel feiner, voneinander isolierter Eisendrähtc ausgebildet.

Wenn der Rotor 20 gedreht wird, beeinflussen die Magnete 21 die in dem Kontraktionszylinder 11 eingebetteten Drahtbündel 22 derart, daß eine im wesentlichen radiale Kontraktionsbewegung des aus einem elastischen Material bestehenden Kontraktionszylinders erfolgt, und zwar jedesmal dann, wenn ein Paar von Magneten 21 ein Drahtbündel 22 passiert. Hierdurch wird das betreffende Drahtbündel magnetisch angezogen. Dieser Vorgang erfolgt gleichzeitig für sämtliche Drahtbündel. Die Hülse 12 verhindert hierbei, daß der Kontraktionszylinder 11 sich auf den Rotor 20 zusammenzieht. Durch die radialen Kontraktionsbewegungen und die sich daran anschliessenden Expansionsbewegungen aufgrund der Elastizität des Kontraktionszylinders ändert sich das Volumen innerhalb der Druckkammer gezwungenermaßen, so daß eine Druckwelle erzeugt wird, deren Periodizität von dem Aufbau des Magnetsystems (der Polzahl) und dem entsprechenden Aufbau des die Stangen (Bündel) 22 enthaltenden Kontraktionszylinders abhängt. Die Frequenz des Schalls ist eine direkte Puntkion der Drehzahl und der Polzahl. Vorzugsweise legt sich der Kontraktionszylinder 11 bei jeder Kontraktionsbewegung gegen die Hülse 12, damit die Volumenänderung der Druckkammer praktisch unabhängig von dem Schalldruckpegel·· innerhalb der Druckkammer ist. Dies ist im Vergleich zu einem herkömmlichen elektromagnetischen Schallsender des Lautsprechertyps ein wesentlicher Vorteil.

Der erfindungsgemäße Schallsender kann relativ hohe Ton frequenzen also auch bei vernünftigen Drehzahlen

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erzeugen. Der Elektromotorantrieb ist zuverlässig und einfach, er kann ohne Getriebeanordnung eingesetzt werden. Beispielsweise läßt sich ein Ton von 300 Hz mit Hilfe eines 12-Pol-Rotors durch einen herkömmlichen Induktionsmotorantrieb erzeugen. Die Druckkammer 13, die bezüglich der Drehachse symmetrisch ist, gestattet relativ großvolumige Druckkammern und große Bewegungsamplituden, ohne daß unsymmetrische Kräfte auftreten. Der Kontraktionszylinder 11 ist praktisch das einzige Verschleißteil innerhalb des Schallsenders.

Wird ein Resonanzhorn mit hoher akustischer Impedanz verwendet, sind die Tonimpulse trotz der Trägheit des Elektromotors beim Anlaufen und Auslaufen deutlich wahrnehmbar.

Bei der Ausführungsform nach Figur 3 ist der Rotor 20 auf der Außenseite des Kontraktionszylinders 11 angeordnet, und die Hülse 12 ist ersetzt durch einen Mittelkörper 12'. Die Permanentmagneten 21 jedes Paares haben in diesem Fall die gleiche Polarität und treiben demzufolge die in dem Kontraktionszylinder eingebetteten Stangen jedesmal dann, wenn die Magnete die Stangen passieren, in Richtung auf den Körper 12' zurück. Im übrigen stimmt die Arbeitsweise dieses Ausführungsbeispiels mit der des oben beschriebenen Ausführungsbeispiels überein.

Alternativ kann man die Permanentmagnete ersetzen durch Gleichstrom-Elektromagnete, insbesondere bei Schallsendern sehr hoher Leistung. Die Elektromagnete werden über Schleifringe mit Energie versorgt. Es ist außerdem möglich, die Permanentmagnete durch ein stationäres Spulensystem zu ersetzen, wobei für jede Stange (Bündel) des Kontraktionszylinders eine Spule vorgesehen ist, um dadurch ein oszillierendes Magnetfeld zu erzeugen.

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j 4 Ί 3 J 4

-ιοί 1st das Spulensystem als Drehstromwicklung ausgebildet, kann man mit Hilfe einer Statorwicklung ein magnetisches

Drehfeld erhalten, welches vorteilhaft ist, bei niedriger Frequenz und hoher Leistung,
b

Der für die obigen Ausführungsbeispiele beschriebene Kontraktionszylinder 11 kann statt zylindrischer Form auch konische Form aufweisen.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach Figur 4 und 5 ist die Druckkammer 13' zwischen einer Kontraktionswand 11' und einem an dem Gehäuse 10 montierten Deckel 23 gebildet. Die Druckkammer ist mit einem Stutzen 24 mit einem in den Figuren 4 und 5 nicht gezeigten Resonanzhorn verbunden. Die Kontraktionswand 11* weist Stangen oder Drahtbündel 22 auf (wie in den oben beschriebenen Ausführungsformen), und es kann sich hier um ein starres Element handeln, das an dem Gehäuse 10 mit Hilfe elastischer Elemente 25 elastisch befestigt ist. Die Kontraktionswand 11* kann auch ein elastisches Element sein, das mit dem Gehäuse starr verbunden ist. Der auf der Welle 19 sitzende Rotor 20 ist - in radialer Richtung - auf der Innenseite der Kontraktionswand 11' angeordnet und besitzt eine Anzahl von Permanentmagneten 21 gleicher Polarität, wie in Figur 5 angedeutet ist. die Magneten haben um die Drehachse des Rotors herum gleichmäßigen Abstand, wie es bei den oben beschriebenen Ausführungsformen der Fall ist. Im vorliegenden Fall arbeitet der Schallsender nach dem Prinzip des Zurücktreibens, wie es oben beschrieben wurde. Die Druckkammer erstreckt sich jedoch nicht über den gesamten Umfang des Rotors, sondern sie umfaßt lediglich ein Viertel des Umfangs.

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- Leerseite -

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KOCKUMATION AB
P.O. Box 1044
S-212 10 Malmö

Magneto-dynamischer Schallsender

Priorität: 8. April 1983, Schweden, Nr. 8301940-6

PATENTANSPRÜCHE

Magneto-dynamischer Schallsender, dadurch gekennzeichnet , daß eine Membran (11, 11'), die mittels einer magneto-dynamischen Antriebseinrichtung (20, 21, 22) zum Erzeugen einer periodischen Membranschwingung durch ein von der Antriebseinrichtung erzeugtes und sich in bezug auf die Membran drehendes magnetisches Feld betätigt wird, eine Abgrenzungswand einer mit einem Schallhorn (17) verbundenen Druckkammer (13, 13') bildet, die umfangsseitig in bezug auf die Antriebseinrichtung angeordnet ist, so daß sie von dem die Abgrenzungswand radial betätigenden magnetischen

Feld periodisch kontrahiert und expandiert wird.
2. Schallsender nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Membran (11) eine

b Anzahl von über den Umfang mit gleichem Abstand angeordneten ,sich axial erstreckenden Teilen (22) aus einem ferromagnetischen Material aufweist, die von einem nicht-magnetischem Material auf Abstand gehalten werden .
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3. Schallsender nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß jedes aus ferromagnetischem Material bestehende Teil eine flexible Stange (22) aus einem ferromagnetischen Material aufweist, die in die Membran eingebettet oder an der Membran angebracht ist.
4. Schallsender nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß jede Stange (22) eine Anzahl dünner, voneinander isolierter Drähte aufweist.
5. Schallsender nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet , daß auf einer Seite der Membran auf einem Rotor (20) befindliche Magnete (21) zu der Membran drehbar sind.
6. Schallsender nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet , daß die Membran (11) zylindrisch oder konisch gekrümmt ist.
7. Schallsender nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß die Membran (11) in Form eines Zylinders auf der Außenseite einer aus nicht-magnetischem Material bestehenden Hülse (12) angeordnet ist, die zusammen mit dem Zylinder die Druckkammer begrenzt, und daß der Rotor

-3-(20) innerhalb des Zylinders angeordnet ist.
8. Schallsender nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß die Membran (11) in Form eines Zylinders ausgebildet ist, und daß der Rotor (20') auf der Außenseite des Zylinders angeordnet ist, der zusammen mit einem im Inneren des Zylinders angeordneten Körper (12 ') die Druckkammer begrenzt. 10
9. Schallsender nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß auf der einen oder auf der anderen Seite der Membran eine stationäre Wicklung zum Erzeugen eines oszillierenden Mangetfeldes angeordnet ist.