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Großflächiger elektrostatischer Lautsprecher
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Die Erfindung betrifft einen großflächen, elek;rostatischen Lautsprecher
für den gesamten vom menschlichenGehör erfaßbaren Frequenzbereich, mit einer etwa
3,u bis 101u dicken Folie aus Metall, elektrisch leitendem oder oberflächlich leitend
gemachten Kunststoff als Membran, die zwischen zwei in parallelen Ebenen liegenden,
mit Durchbrechungen für den Schalldurchtritt versehenen biegsamen Gegenelektroden
im wesentlichen spannungsfrei angeordnet ist.
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Ein derartiger Lautsprecher mit biegsamen Elektroden ist bereits
aus der US-PS 3,345.469 bekannt geworden. Seine Biegsamkeit wird dadurch erreicht,
daß er aus kleineren Einzelelementen zusammengesetzt bzw. in kleinere Lautsprecherelemente
unterteilt ist. Die Unterteilung erfolgt durch Querrippen, die parallel zu einer
Seite eines rechteckförmigen Lautsprechergebildes verlaufen. Dadurch ist es möglich,
das Gebilde um eine Achse wie einen Rollvorhang aufzurollen. Eine andere Verformungsmöglichkeit,
beispielsweise um eine zur Diagonale parallele Achse oder eine Verformung entsprechend
einer kuppelförmigen Wölbung ist bei dem bekannten Lautsprecher nicht vorhanden.
Aus Platzgründen und/oder auch aus akustischen Gründen kann es aber manchmal vorteilhaft
sein, den Lautsprecher zumindest um zwei senkrecht aufeinanderstehende Achsen verformen
zu können.
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Ein weiterer Nachteil des bekannten Lautsprechers beruht darin, daß
er eine Gasfüllung benötigt, die eine dauernd verläßliche Abdichtung an den Rändern
verlangt.
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Die Herstellung einer solchen Dichtung ist unangenehm und bedarf einer
großen Sorgfalt, ansonsten das Gaspolster relativ bald seine Wirkung verlieren würde,
was zur Gebrauchsunfähigkeit des Lautsprechers führen würde.
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Die US-PS 2,934.612 beschreibt einen elektrostatischen Großlautsprecher,
der eine Krümmung um eine Achse parallel zu zwei gegenüberliegenden Seiten aufweist.
Die Krümmung ist nicht veränderbar Die Gegenelektroden sind, wie beim Lautsprecher
gemäß dcr zuerst besprochenen US-PS 3,345.469, aus einem Metallgewebe hergestellt.
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Infolge ihrer geringen Masse sind Eigenbewegungen solcher Elektroden
nicht ausgeschlossen, was unter Umständen zu Klangverfälschungen führen könnte.
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Dieser Tatsache wird in der DE-PS 513.686 insoferne Rechnung getragen,
als dort vorgeschlagen wird, als Material für Gegenelektroden in elektrostatischen
Wandlern Weichmetalle, z.B. Blei oder Zinn oder Weichmetalllegierungen zu verwenden.
Dieser Vorschlag ist nur für kleine elektrostatische Wandler anwendbar, bei großflächigen
elektrostatischen Lautsprechern würde die Verwendung von Blei beispielsweise zu
enormen Gewichten führen, die eine Aufstellung eines solchen Lautsprechers in Wohnräumen
wegen der relativ geringen Tragfähigkeit des Fußbodens unmöglich machen würden,
abgesehen von der Schwierigkeit des Transportes.
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Die Erfindung hat sich das Ziel gesetzt, einen verformbaren elektrostatischen
Großflächenlautsprecher zu schaffen, der nach jeder Richtung beliebig verformbar
ist, die Frequenzen des gesamten Hörbereiches gleichmäßig wiedergibt, einfach hergestellt
werden kann, ein relativ geringes Gewicht aufweist und weder Transportnoch Aufstellungsprobleme
mit sich bringt.
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Dieses Ziel wird erfindungsgemäß bei einem elektrostatischen Großflächenlautsprecher
dadurch erreicht, daß die Gegenelektroden aus elastisch biegsamen, eine hohe Masseträgheit
auSweisenden, elektrisch leitend gemachten oder oberflächlich leitend gemachten
plastischem Material bestehen, und an ihrer Oberfläche mit einer hochspannungssicheren
Isolierschicht versehen sind, wobei die beim Biegen in der neutralen Zone liegende
Membran entweder durch an den Gegenelektroden angeordnete oder ausgebildete Stützelemente
oder in an sich bekannter Weise durch schalldurchlässige, vorzugsweise elastische
Einlagen in einem Abstand von 0,5 mm bis 3 mm gegenüber den Gegenelektraden distanziert
ist.
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Gegenüber dem bekannten verformbaren Lautsprecher weist die Erfindung
den Vorteil der beliebigen Verformbarkeit auf. Der erfindungsgemäße Lautsprecher
bedarf keiner Gasfüllung, weshalb er nicht nur einfach herzustellen ist, sondern
auch niemals infolge eines Dichtungsdefektes unbrauchbar werden kann.
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Ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen elektrostatischen Großflächenlautsprechers
ist dadurch gekennzeichnet, daß die auf den Gegenelektroden angeordneten oder ausgebildeten
Stützelemente eine rippenförmige
Gestalt haben, mit der Membran
in einer im wesentlichen nur linearen Berührung stehen und zu einer Seitenkante
des rechteckig oder quadratisch ausgebildeten Lautsprechers parallel verlaufen.
Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die Membran partiell abgestützt, dennoch ist
es ohne weiteres möglich, die Grundresonanz einer Teilmembran in den Bereich von
wenigen hundert Hertz zu legen, so daß ein schwach reibungsgehemmtes schwingendes
System erzielbar ist, das infolge der Membrangröße im Gegensatz zu herkömmlichen
elektrodynamischen Lautsprechern mit Massehemmung etwas reibungsgehemmt arbeitet.
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Bei diesem Ausführungsbeispiel ist es vorteilhaft, die Stützelemente
längs ihrer Berührungslinie mit der Membran mittels Mikroklebung fest mit dieser
zu verbinden.
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Unter dem Begriff "Mikroklebung" soll eine Klebung verstanden werden,
die mit einem minimalen Aufwand an Klebstoff auf einer minimalen Fläche ausgeführt
wird. Die feste Verbindung der rippenförmigen Stützelemente in der vorstehend beschriebenen
Art und Weise soll verhindern, daß mechanische Störungen, die sich als Klirrfaktor
bemerkbar machen können, auftreten.
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Bei einem anderen AusfuhrungsbeWpiel der Erfindung besteht die schalldurchlässige
Einlage zwischen der Membran und den Gegenelektroden aus einem schleierartigen Gebilde,
das mit im Abstand voneinander angeordneten, die Membran von den Gegenelektroden
distanzierenden Noppen versehen ist. Das schleierartige Gebilde kann, so wie die
Noppen, aus textilen- oder Kunststoff-Fasern bestehen, wobei die Noppen kugelförmige,
oder eiförmige Gestalt haben können, aber auch die Form eines Doppelkegels aufweisen
können. Zur Verhinderung mechanischer Storungen ist es auch bei diesem Ausführungsbeispiel
zweckmäßig, die Noppen mit der Membran durch Mikroklebung zu verbinden.
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Ein weiteres Ausführungsbeispiel ist dadurch gekennzeichnet, daß
die die Membran von den Gegenelektroden distanzierenden Einlagen in an sich bekannter
Weise aus
einem offenporigen, gut schaildurchlässigen, elastischen
Schaumstoff bestehen, wobei zum Unterschied von den bekannten Lautsprechern die
Schaumstoffeinlagen jedoch auch mit Durchbrechungen versehen sein können, die im
fertigen Lautsprecher vorzugsweise einander im wesentlichen korrespondierend gegenüberliegen.
Dabei ist es vorteilhaft, wenn die Schaumstoffeinlagen zwischen den Durchbrechungen
an diskret über die ganze Fläche verteilten Punkten durch Mikroklebung mit der Membran
fest verbunden sind. Auch in diesem Falle ergeben sich infolge der Durchbrechungen
in den Schaumstoffeinlagen partiell abgestützte Einzelmembranen, von denen jede
für sich voll schwingungsfähig ist. Nimmt man kreisförmige Durchbrechungen mit einem
Durchmesser von knapp 1 cm an, so ergibt sich bei einer Seitenlänge einer quadratischen
Membran von 1 m eine Summenmembran, die aus rund 10 000 Teilmembranen besteht. So
wie beim früher beschriebenen Ausführungsbeispiel mit rippenförmig ausgebildeten
Stützelementen kann auch hier die Grundresonanz einer Einzelmembran in den Bereich
von wenigen hundert Hertz gelegt werden. Daraus ergibt sich, daß bei beiden Ausführungsbeispielen,
eine Gesamtmembranfläche 2 2 von 0,5 bis 2 m2 vorausgesetzt, der mit w ansteigende
Ast des Strahlungswiderstand-Verlaufes bereits bei 50 bis 0 150 Hz endet und sich
in einem Gang fortsetzt und in diesem Bereich der Übergang zu einem reibungsgehemmten
Lautsprechersystem einsetzt. Zusätzlich ist zu bemerken, daß durch die mit der Membran
mitschwingenden Luftmassen die Grundresonanz der Einzelmembranen weiterhin erheblich
herabgesetzt wird. Dies ergibt sich aus der Tatsache, daß bei einer kleinen Membran
von beispielsweise 10 cm Durchmesser für die tiefen Frequenzen die zu bewegende
Luftmasse etwa 3 g beträgt, bei einer Membran mit 100 cm Durchmesser aber auf etwa
50 g ansteigt.
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Bein erfindungsgemäßen Lauts)recher liegt die Membran in der neutralgen
Biegeschicht, die beiden Gegenelektroden jedoch außerhalb derselben. D.h., daß sich
beispielsweise
beim Einrollen des Lautsprechers die bei den Gegenelektroden relativ zueinander
verschieben, da die innenliegende Gegenelektrode in jeder Phase des Aufrollens einen
kleineren Durchmesser aufweist als die außenliegende. Nach einem weiteren Erfindungsmerkmal
ist daher vorgesehen, daß die Gegenelektrodenrelativ zueinander in einer Richtung
innerhalb eines festgelegten Bereiches verschiebbar sind. Um den beiden Gegenelektroden
diese Relativbewegung zu ermöglicheX weisen zweckmäßigerweise die Gegenelektroden
an zwei einander parallel gegenüberliegenden Enden zur Herstellung des zwischen
ihnen erforderlichen Abstandes balkenförmige Vorsprünge auf, die aufeinander gleitend
angeordnet sind und senkrecht zu ihre Längsrichtung Schlitze aufweisen, die von
Nietzapfen durchsetzt sind, die die beiden Gegenelektroden zusammenhalten. Dabei
liegt die Membran nicht mehr in der neutralen Biegeschicht, so daß diese Lösung
in Frage kommt, wenn die Dehnung der Membran und ihrer elektrisch leitenden Schicht
ohne Schaden möglich ist.
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Ersetzt man die Nietzapfen erfindungsgemäß wenigstens teilweise durch
Schrauben, so kann man durch Anziehen derselben die jeweilige gegenseitige relative
Lage der beiden Gegenelektroden fixieren. Dies ist beispielsweise vorteilhaft, wenn
man den Lautsprecher mit einer gekrümmten Oberfläche betreiben will. Zu diesem Zweck
lockert man die eventuell fest angezogenen Schrauben an beiden gegenüberliegenden
balkenförmig ausgebildeten Enden der Gegenelektroden und bringt hierauf den Lautsprecher
in die gewünschte Form, in der er zunächst von Hand aus, gegebenenfalls über einer
geeigneten Form, festgehalten wird. Dann werden die Schrauben angezogen, so daß
eine neuerliche relative Verschiebung der Gegenelektroden unmöglich wird. Ist dies
geschehen, kann der Lautsprecher freigegeben oder von der Form abgenommen werden.
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Zur Zuführung der Wechselspannung an die Membran
ist
schließlich nach einem weiteren Erfindungsmerkmal vorgesehen, daß die Membran zwischen
den balkenförmigen Vorsprüngen der Gegenelektroden, von diesen elektrisch isoliert,
gehaltert ist, und an einer der Gegenelektroden ein isoliert aufgesetzter Anschluß
vorgesehen ist, der mit der Membran elektrisch leitend verbunden ist.
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Weitere Einzelheiten der Erfindung können der folgenden Beschreibung
an Hand der Zeichnung entnommen werden, in der Fig. 1 einen Querschnitt durch den
erfindungsgemäßen Lautsprecher senkrecht zur Membranebene darstellt. Fig. 2 eine
Draufsicht auf denselben darstellt, die Fig. 3 den Lautsprecher in gebogenem Zustand,
die Fig. 4 bis 7 vergrößerte Ausschnitte des Querschnittes durch den Lautsprecher
zeigen, die Fig. 8 und 9 eine Form zeigen, in der der erfindungsgemäße Lautsprecher
betrieben werden kann, wobei Fig. 9 die Verbindung der beiden Gegenelektroden erkennen
läßt Zur Erzielung einer optimalen Ubertragungsfunktion soll die Kunststoffolie,
die die Membran bildet, ebenso wie die beiderseits von ihr angeordneten schalldurchlässigen
Kunststoffe mit einer Dicke von etwa 1 bis 3 mm, eine große innere Reibung aufweisen.
Als Membranmaterial hat sich eine Kunststoffolie als zweckmäßig Erwiesen, deren
Weichmacher sich im Laufe der Zeit nicht verflüchtigt und die dzt. u.a. zur Verpackung
von Lebensmittel verwendet wird und eine Dicke von etwa 7 p besitzt.
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Als Material für die Gegenelektroden kann im Prinzip jeder elastisch
verformbare Kunststoff verwendet werden, soferne er auf irgendeine Art und Weise,
beispielsweise durch Beimischung metallischer Partikel, elektrisch leitend gemacht
werden kann. Es ist aber auch möglich, daß ein nichtleitender Runststoff verwendet
wird, der mit einer elektrisch leitenden Oberfläche versehen ist.
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Um die Biegsamkeit auf die Dauer zu erhalten und um die geforderte
notwendige Masseträgheit zu erzielen, d.h.
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um das spezifische Gewicht zu vergrößern, ist es zweckmäßig, entsprechende,
die verlangten Eigenschaften verbessernde
-Füllstoffe dem Kunststoffmaterial
für die Gegenelektroden beizufügen.
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Um den Sicherheitsvorschriften zu entsprechen und die Betriebssicherheit
zu gewährleisten ist es erforderlich, die Gegenelektroden mit Isoliermaterial zu
überziehen. Für diesen Zweck eignet sich ein Material auf Eunststoffbasis, das bei
einer Dicke von 1 P bereits eine Durchschlagsfestigkeit von 100 V aufweist. Für
die bei einem elektrostatischen Lautsprecher auftretenden hohen Gleich- und Wechselspannungen
ergibt daher eine Schichtdicke von etwa 100 P bereits eine ausreichende Sicherheit.
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Zum besseren Verständnis der akustischen Vorgänge in einem gemäß
der Erfindung aufgebauten Lautsprecher kann die Vorstellung gelten, daß in einer
schalldurchlässigen Schichte, beispielsweise von 3 mm Dicke, eine schallundurchlässige
dünne Schichte von etwa 3 bis 10 Dicke angeordnet ist. Wird diese dünne Schichte
zu Schwingungen angeregt, dann ist es so, als ob eine ebene Schallwelle die gesamte
schalldurchlässige Schichte durchströmt. Wenn alle an den Schwingungen beteiligten
Materialien, wie vorstehend erwähnt, eine hohe innere Reibung aufweisen oder wenn
im Falle einer punktweisen oder linearen Abstützung der Membran die Berührungspunkte
bzw. -linien mit dieser verbunden sind, dann ist das gesamte schwingende System
einer starken Dämpfung unterworfen, was zur Folge hat, daß der Klirrfaktor sehr
klein bleibt.
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Weitere Einzelheiten des erfindungsgemäßen elektrostatischen Lautsprechers
können der folgenden Beschreibung an Hand der Zeichnung entnommen werden, in der
Fig. 1 eine schematische Seitenansicht und Fig. 2 eine ebensolche Draufsicht darstellen,
die Fig. 3 und 4 Teilansichten von Querschnitten zweier Ausführungsbeispiele sind,
die Fig. 5 und 6 eine Gegenelektrode eines weiteren Ausführungsbeispieles in Seitenansicht
bzw. in Draufsicht zeigen, wogegen in Fig. 7 der erfindungsgemäße Lautsprecher etwa
halbkreisförmig gebogen dargestellt ist,
und die Fig. 8 erkennen
läßt, auf welche Art die Gegenelektroden miteinander verbunden sind und Fig. 9 die
Verankerung der Gegenelektroden mit den sie tragenden Teilen zeigt.
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Die Fig. 1 und 2 dienen der allgemeinen Orientierung und zeigen den
erfindungsgemäßen Lautsprecher schematisch einmal von der Seite gesehen und einmal
in der Draufsicht. Er weist bei dieser Darstellung am oberen und am unteren Rand
rohrförmige Gebilde 2 und 3 mit vorzugsweise rechteckigem oder quadratischem Querschnitt
auf.
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Im folgenden werden diese rohrförmigen Gebilde als Endstücke 2 und
3 bezeichnet. Zwischen diesen beiden Endstücken befindet sich der eigentliche flächenförmige
Lautsprecher 1, der sich aus mehreren schichtförmig angeordneten Teilen zusammensetzt.
Wie den Fig. 3 und 4 zu entnehmen it, weist der Lautsprecher zwei Gegenelektroden
4 auf, zwischen denen die Membran 7 in wesentlichen spannungsfrei gelagert ist.
Die Gegenelektroden 4 bestehen aus einem Material, das gummiartige Eigenschaften
aufweist. Das Material der Gegenelektroden 4 kann entweder selbstleitend sein, beispielsweise
durch beigemischte elektrisch leitende Partikelchen, oder aber mit einer elektrisch
leitenden Oberfläche versehen sein, die der Membran 7 zugewendet ist. Zwei einander
gegenüberliegende Seiten jeder Gegenelektrode 4 enden in einem balkenförmigen Vorsprung
11, wodurch zwischen den beiden Elektroden ein Zwischenraum gebildet wird, in dessen
mittleren Ebene die Membran 7 angeordnet ist. Aus Sicherheitsgründen sind die Gegenelektroden
4 mit einer Isolierschichte 5 überzogen, von der gefordert werden muß, daß sie auch
den bei elektrostatischen Lautsprechern notwendigerweise hohen Gleich- und Wechselspannungen
standhalten. Die moderne Kunststofftechnik kennt bereits Werkstoffe, die bei einer
Dicke von wenigen P im Stande sind, Spannungen in der Größenordnung von mehreren
tausend Volt ohne durchzuschlagen auszuhalten. Ein derartiger Kunststoff wird zweckmäßigerweise
beim
erfindungsgemäßen elektrostatischen Lautsprecher verwendet, um den Umgang mit ihm
gefahrlos zu gestalten. Da die Membran 7 zwischen den beiden Gegenelektroden 4 eingeschlossen
ist, ist es erforderlich, die Gegenelektroden 4 zu perforieren bzw. mit Durchbrüchen
6 für den Schalldurchlaß zu versehen. Der Zwischenraum zwischen jeder Elektrode
4 und der Membran 7 ist bei dem in Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel mit
einer offenporigen, weichen Schaumstoffeinlage 8 ausgefüllt. Diese kann gegebenenfalls
mit Ausnehmungen versehen sein, deren Form und Ausmaß dem Belieben des Fachmannes
überlassen ist. Die Membran 7 selbst ist, wie bereits früher ausgeführt, eine dünne
Kunststoffolie, die mit einem Metallbelag versehen ist. Es kommen entweder aluminium-
oder goldbedampfte Folien in Frage, wobei den goldbedampften Folien der Vorzug zu
geben ist, da sich Gold dünner auftragen läßt als Aluminium.
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Das in Fig. 4 dargestellte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich
von dem der Fig. 3 nur dadurch, daß der Zwischenraum zwischen der Membran 7 und
den Gegenelektroden 4 nicht mit einer Schaumstoffschichte konstanter Dicke ausgefüllt
ist, sondern mit einer solchen, die Noppen 9 aufweist, gegen die sich die Membran
7 beidseitig abstützt. Zur Erhöhung der Dämpfung bzw. um den Klirrfaktor extrem
klein zu halten, ist der höchste Punkt jeder Noppe 9 mit der Membran 7 verklebt.
Selbstverständlich handelt es sich dabei um eine Mikroklebung, bei der auf einer
kleinstmöglichen Fläche ein Minimum an Klebstoff vorhanden ist. Die Anordnung der
Noppen 9 kann beliebig sein, gegebenenfalls kann man sie so anordnen, daß sie einander
korrespondierend gegenüberstehen.
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Ein weiteres Ausführungsbeispiel verwendet die in den Fig. 5 und
6 in Seitenansicht bzw. Draufsicht dargestellte Form einer Gegenelektrode 4. Diese
besitzt lineare Stützelemente 10, die sich über die ganze Oberfläche der Elektrode
im Abstand voneinander erstrecken.
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Diese Stützelemente 10 weisen in Fig. 5 einen etwa
rechteckigen
Querschnitt auf, sie können von dieser Querschnittsform aber auch abweichen und
trapezförmige, keilförmige oder ähnliche Formen aufweisen. Schließlich können die
linear angeordneten Stützelemente 10 auch in ihrer Längsrichtung Unterbrechungen
aufweisen und letztlich in kegelförmige, pyramidenförmige oder kuppelförmige Gebilde
übergehen, die sich in einer Vielzahl über die gesamte Fläche jeder Gegenelektrode
4 verteilen.
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Auch in diesem Falle ist es vorteilhaft, die Stützelemente, gleich
welcher Gestalt, durch Mikroklebung mit der Membran 7 zu verbinden.
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Da die Gegenelektroden 4 des Lautsprechers biegsam sind, kann dieser
verschiedene Gestalten annehmen. Vorteilhaft ist die in Fig. 7 perspektivisch dargestellte
gekrümmte Form, da infolge der Krümmung der abstrahlenden Fläche die Schwingungen
hoher Frequenz in einem größeren Winkel abgestrahlt werden als dies bei einer ebenen
Membran der Fall ist. Dabei ist aber zu beachten, daß sich beim Krümmen des Lautsprechers
die Gegenelektroden 4 relativ zueinander verschieben, was darauf zurückzuführen
ist, daß sich die innenliegende Elektrode um einen kleineren Radius biegt als die
äußere. Hält man beispielsweise die beiden Gegenelektroden beim Endstück 2, zusammen
mit der dazwischenliegenden Membran 7, unverrückbar fest, dann ergibt sich nach
erfolgter Krümmung beim Endstück 3 eine Längendifferenz, die in irgendeiner Form
ausgeglichen werden muß. Eine Möglichkeit ist in Fig. 8 dargestellt. Im Normalfall,
bei dem der Lautsprecher einfach aufgehängt wird und praktisch alle Schichten bzw.
Gegenelektroden in einer Ebene liegen, genügt es, Bohrungen 12 vorzusehen, die von
Nieten oder Schrauben durchsetzt sind und die die beiden Gegenelektroden 4 einschließlich
der Membran 7 unverrückbar zusammenhalten. Eine solche Verbindung läßt jedoch eine
Verformung bzw. Krümmung des Lautsprechers aus den vorstehend geschilderten Gründen
nicht zu. Um diesem Mangel abzuhelfen, sind, wie Fig. 8 zu entnehmen ist,