DE4022933A1 - Elektrostatischer lautsprecher - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Lautsprecher, der elektrische Wechselspannungen, insbesondere im Tonfrequenzbereich, mittels elektrostatischer Kräfte in Luftschwingungen umwandelt, bestehend aus einer (zwei) mit Öffnungen versehenen, star­ ren, dünnflächigen Elektrode(n) und einer im Ab­ stand von dieser (zwischen diesen) angeordneten schwingungsfähigen stromleitenden Membran, die in einem Rahmen etwa parallel zueinander fixiert sind.

Zur Erreichung höchster Wiedergabequalität von akustischen Signalen im Tonfrequenzbereich finden bereits elektroakustische Wandler, deren Funk­ tionsweise auf elektrostatischen Kräften zweier unterschiedlich geladener Körper beruht, Verwen­ dung.

In der bisher bekannten üblichen Ausführungsform liegt mittig im räumlichen Abstand von zwei starren parallelen, meistens als Lochplättchen oder als Lochbleche ausgebildete Elektroden, de­ ren Oberfläche vollständig mit einer elektrischen Isolation versehen sind, eine metallisierte Fo­ lienmembran oder ein schwingungsfähig aufgehäng­ tes Metallplättchen. Lochplättchen und Membran sind parallel zueinander in einem Rahmen in de­ finiertem Abstand fixiert. Jeweils zwischen Mem­ bran und Lochblech, deren Abstand von der maxi­ mal auftretenden Amplitude der Membran und der höchsten, von der Durchschlagsfestigkeit der An­ ordnung vorgegebenen, elektrischen Feldstärke ab­ hängt, liegt eine hohe Gleichspannung, die von den tonfrequenten Wechselspannungen moduliert wird. Diese rufen der Frequenz und der Spannungs­ höhe äquivalente, elektrostatische Kräfte hervor, die die Membran in frequenzsynchrone Schwingun­ gen versetzen, die sich der umgebenden Luft als Schallwellen mitteilen und den Lautsprecher durch die Öffnungen der Lochbleche verlassen. Die ton­ frequenten Wechselspannungen steuern die beiden Lochbleche im Gegentakt, d. h. mit einer Phasen­ verschiebung von 180 Grad, an.

In einer weiteren Ausführungsform liegt der Mem­ bran im Abstand lediglich ein Lochblech parallel gegenüber. Die Steuerung erfolgt in der prinzi­ piell gleichen, bereits dargelegten Wirkungsweise im Eintaktverfahren.

Die Öffnungen der Lochblende stellen im allge­ meinen zylindrische Hohlformen - in der Regel im Stanzverfahren gefertigt - dar, dessen Zylinder­ mäntel senkrecht zur Lochblechoberfläche stehen. Zylindermantel und Lochblechoberfläche bilden zu­ mindest annähernd rechtwinklige Kanten. Nach Lo­ chung der Bleche sind diese vollständig mit ei­ ner elektrischen Isolation zu versehen, um die Neigung zu elektrischen Überschlägen aufgrund der hohen anliegenden Gleichspannung zu mindern.

Nachteilig dabei ist, daß sich aus technischen Gründen in den Kantenbereichen relativ zu den an­ deren Blechteilen die Isolation nur in geringen Schichtdicken aufbringen läßt. Überdies treten gerade in diesem Bereich, bedingt durch die Spitzenwirkung der Kanten hohe Feldstärken auf, was die Gefahr zu elektrischen Überschlägen mit der möglichen Folge der Zerstörung der Isola­ tionswirkung des Dielektrikums, möglicherweise sogar des gesamten Lautsprechers mit sich bringt. Der Schallausbeute, die primär von der Höhe der zwischen Membran und Lochblech angelegten Span­ nungen bzw. von der gleichmäßig hohen Feldstärke über den gesamten leitenden Teil des Lochbleches bestimmt wird, sind konstruktions- und ferti­ gungsbedingt enge Grenzen gesetzt. Ebenso nach­ teilig wirken sich die ebenen, parallel zur Gleichgewichtslage der Membran liegenden Metall­ teile des Lochbleches aus, die den Schall ver­ tikal zu diesen reflektieren, und die Abstrah­ lung des Schalls, sowie die freien Schwingungen der Membran verhindern. Zudem zieht die Re­ flexion zwischen Membran und Lochblech Inter­ ferenzerschwinungen nach sich, die zu Verzerrun­ gen in der Wiedergabe und somit eine Minderung der Klangqualität des Lautsprechers, geringe­ re Schallausbeute und vermindertem Wirkungs­ grad führt.

Ausgehend vom Stand der Technik hat sich die Er­ findung in einer Weiterentwicklung zur Aufgabe gemacht, elektrostatische Lautsprecher hoher Durchschlagsfestigkeit zu schaffen, die sich darüber hinaus durch originalgetreue Wiedergabe, hohen Wirkungsgrad und große Schallausbeute aus­ zeichnen.

Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß da­ durch, daß die Elektrode bzw. die Elektroden aus dünnen Stäben bestehen, die zumindestens teilwei­ se einen polygonalen oder wenigstens näherungs­ weise einen kreis- bzw. ellipsenförmigen Quer­ schnitt aufweisen.

Bei der vorgeschlagenen Ausführungsform der Elek­ troden, bei der vorzugsweise Stäbe - in elasti­ scher Ausführung auch Drähte - mit kreisförmigem Querschnitt Verwendung finden, werden die uner­ wünschten Qualitäten der lautsprechermindernden Reflexionen und die Interferenzerscheinungen her­ kömmlicher elektrostatischer Lautsprecher erheb­ lich vermindert. So wird ein großer Teil der in flachem Winkel auf die Stäbe auftreffenden Schallwellen in die Abstrahlrichtung des Laut­ sprechers reflektiert. Die Beeinträchtigung der von der modulierten tonfrequenten Wechselspannung vorgegebenen Membranschwingung durch die auf den Membran auftreffenden, am Lochblech reflektier­ ten Schallwellen wird deutlich vermindert und erhöht in entscheidender Weise eine verzerrungs­ arme Transformation der Wechselspannung in Schallwellen. Die vorgeschlagenen Stabquerschnit­ te lassen keine Bündelung des elektrischen Fel­ des an bestimmten Stellen zu. Folglich entfällt die Disposition, im Gegensatz zu Lautsprechern in herkömmlicher Bauweise, zu elektrischen Über­ schlägen an bestimmten Stellen der Bauteile auf­ grund von Spitzenwirkung. Die vorgeschlagene Ge­ staltung der Elektroden mit vorzugsweise kreis­ förmigem Querschnitt läßt trotz der formbeding­ ten Verhinderung von elektrischen Überschlägen durch Spitzenwirkung ohne zusätzliche Isolations­ maßnahmen nur eine geringe Schalleistung pro Flächeneinheit der Membran zu. Erforderlichen­ falls finden großflächig ausgeführte Lautspre­ cher Verwendung. Außerdem ist eine Zerstörung des Lautsprechers bei elektrischen Überschlägen durch Isolationsschäden bei dieser Ausführungs­ form ausgeschlossen. Schließlich ist ein nach­ trägliches Auswechseln der Membran ohne Pro­ bleme und insbesondere ohne Zerstörung der ge­ samten Einheit erstmals möglich.

Das in der Aufgabenstellung gesetzte Ziel der Schaffung von in erster Linie Lautsprechern mit hoher Durchschlagsfestigkeit bei gleich­ zeitig hoher Schalleistung läßt sich nur durch den Einsatz einer entsprechenden Iso­ lation erzielen. Die Form der Stäbe garantiert ein gleichmäßiges Aufbringen der Isolation, die in der bevorzugten Ausführungsform von Kunststoffröhrchen aus einem Dielektrikum hoher elektrischer Durchschlagsfestigkeit be­ steht, die auf die Mantelfläche der vorzugs­ weise kreiszylindrischen Stäbe aufgebracht werden.

Als Isolationsmaterialien finden aufgrund der hohen Durchschlagsfestigkeit bevorzugt Po­ lyamid und/oder Polyurethan Verwendung.

Die Stäbe liegen im allgemeinen in einer Ebe­ ne, die parallel zur Gleichgewichtslage der Membran verläuft. In einer Weiterbildung wird vorgeschlagen, daß die Stäbe eine sphärische Fläche aufspannen, die sich über die Membran wölbt und deren Scheitelpunkt auf der Verti­ kalen zur Ebene, die von der ruhenden Membran vorgegeben wird, durch das Zentrum der Membran führt. Da im Einspannbereich der metallisier­ ten Folie eine geringere Elastizität als im zentralen Teil auftritt, bedarf es im Vergleich zu diesem im peripheren Bereich einer größeren Kraft, um annähernd vergleichbar große Ampli­ tuden zu erzielen, was hinsichtlich der Schall­ ausbeute wünschenswert ist. Die hierzu nötige Kraftverteilung zwischen Membran und Elektro­ den, die bei gleicher Spannungsdifferenz zwi­ schen beiden Bauteilen lediglich durch deren Abstand beeinflußt werden kann, wird mit der vorgeschlagenen Flächenform erreicht.

Mittels Distanzstegen aus Kunststoff wird die Membran mittig zwischen den Elektroden zum Zwecke der Amplitudenbegrenzung fixiert, um ein Anschlagen der Membran und die damit ver­ bundene Geräuschentwicklung zu unterbinden. Durch Variation der Abstände der Stege, die in der Regel parallel zueinander verlaufend, las­ sen sich Membranteile unterschiedlicher Eigen­ schwingung schaffen, die die Klangqualität des Lautsprechers positiv beeinflussen.

Im folgenden ist die Erfindung anhand der Zeich­ nung in der bevorzugten Ausführungsform im ein­ zelnen dargestellt und erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Schnitt durch einen erfindungs­ gemäßen Lautsprecher, dessen Schnitt­ ebene vertikal zu den von den Stäben aufgespannten ebenen parallelen Flä­ chen durch die Stabachsen verläuft.

Fig. 2 Schnitt entlang der Linie I-I gemäß Fig. 1.

Fig. 3 Seitenansicht des Ausführungsbei­ spiels.

Fig. 1 und 2 zeigen in Schnittdarstellung die Ausführungsform eines elektrostatischen Lautspre­ chers, dessen Elektroden sich beiderseits der Mem­ bran (1) im gleichen Abstand und parallel zueinan­ der anordnen. Sie sind aus gleichzylindrischen leitenden Stäben (2) gefertigt und ebenso wie die Membran (1) in einen Rahmen (5) eingespannt. Die Isolation (3) der Stäbe erfolgt mittels Kunststoff­ röhrchen aus vorzugsweise Polyamid oder Polyure­ than, die sich in der Vermeidung von elektrischen Überschlägen bewährt haben. Zwischen den Elektroden liegt mittels Distanzstegen (4) und mittig fixiert eine als metallisierte Kunststoffolie ausgeführte Membran (1). Die aus Kunststoff bestehenden Dis­ tanzstege (4) verhindern das Anschlagen der Mem­ bran (1) an die Elektroden und damit eine un­ erwünschte Geräuschentwicklung beim Auftreten hoher Feldstärken wie sie bei hoher Lautstärke auftreten.

Die konstruktionsbedingte Beeinflussung der maximalen Amplitude der Membran (1) wird vom im Prinzip beliebigem Abstand der in der Regel pa­ rallel zueinander verlaufenden Distanzstege (4), der Elastizität der Membran (1) und dem Abstand der beiden Elektroden vorgegeben. Mittels unter­ schiedlicher Abstände der Distanzstege (4) lassen sich Metallfolienbereiche unterschiedlicher Ei­ genschwingungn herstellen, die die Klangquali­ tät des Lautsprechers verbessern. Mit dem Ein­ satz der Distanzstege (4) ist es möglich, groß­ flächige leistungsstarke Lautsprecher herzustel­ len. Die vorzugsweise parallele Anordnung der Stäbe (2) zeigt die Seitenansicht der Fig. 3.

Die Distanzstege (4) verlaufen senkrecht zu den Stäben (2).

Claims (5)

1. Lautsprecher, der elektrische Wechselspannungen, insbesondere im Tonfrequenzbereich, mittels elek­ trostatischer Kräfte in Luftschwingungen umwandelt, bestehend aus einer (zwei) mit Öffnungen versehe­ nen, starren, dünnflächigen Elektrode(n) und einer im Abstand von dieser (zwischen diesen) angeord­ neten schwingungsfähigen stromleitenden Membran, die in einem Rahmen etwa parallel zueinander fi­ xiert sind, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Elektrode(n) aus leiten­ den dünnen Stäben bestehen, die vollständig oder teilweise einen kantengerundeten polygonalen oder zumindest annähernd kreis- bzw. ellipsenförmigen Querschnitt aufweisen.

2. Lautsprecher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stäbe an der Mantelfläche mit einer elektrischen Isolation versehen sind.

3. Lautsprecher nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Isola­ tion aus Polyamid oder Polyurethan besteht.

4. Lautsprecher nach Anspruch 1 und 2, da­ durch gekennzeichnet, daß die Stäbe parallel zueinander in einer Ebene liegen oder zumindest näherungsweise Flächen aufspannen, die der Gestalt von Teilen sphäri­ scher Oberflächen oder kreiszylindrischer Man­ telflächen entsprechen.

5. Lautsprecher nach den Ansprüchen 1, 2 und 4, dadurch gekennzeich­ net, daß zwischen der beweglichen Membran und der (den) starren Elektrode(n) nichtleitende Di­ stanzstege angebracht sind.