DE4335087A1 - Verfahren und Wandler zum Wandeln der mechanischen Schwingung eines Treibers in ein akustisches Signal - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und einen Wandler zum Wandeln der mechanischen Schwingung eines Treibers in ein akustisches Signal.

Derartige Wandler, insbesondere Lautsprecher, lassen sich heute grundsätzlich in zwei Kategorien eintei­ len. Bei der ersten Kategorie, beispielsweise gemäß der DE-PS-37 30 305, der DE-PS-31 23 098, der DE-PS- 35 21 845, der EP-A-0 330 423, der DE-OS-30 48 779, der GB-A-1 435 555, der CH-PS-637 258, der US-A-5 014 323, der DE-OS-28 19 548, wird eine nicht oder im we­ sentlichen nicht formstabile Membrane zentrisch und peripher derart aufgehängt, daß sie durch die Schwingung eines Treibers, wie der Schwingspule eines elektrodynamischen Wandlers, zur Abgabe eines akusti­ schen Signals angeregt werden kann.

Bei der zweiten Kategorie werden durch einen derarti­ gen Treiber formsteife Platten kolbenartig in Schwin­ gung versetzt, wozu eine schwierige Optimierung zwi­ schen Plattengewicht, deren Steifheit und Ausdehnung notwendig ist. Bezüglich dieser Kategorie der erwähn­ ten Wandler sei verwiesen auf "Coaxial Flat-Plane Loudspeaker with Polymer-Graphite Honeycomb Sandwich Plate Diaphragm", Jiro Nakazono et al., J. Audio Eng. Soc., Vol. 29, No. 11, 1981, November, p. 800 ff., sowie weiter auf die EP-A-0 089 054, die US-A- 4 392 027, 4 472 604, 4 322 583, 4 284 167.

Aus der EP-A-0 296 139 sowie aus "Sound", Audio- und Video-Magazin Nr. 7-8/1990, S. 24 ff. ist es im wei­ teren bekannt, eine dünne, flexible Membran zentrisch anzuregen und nach außen laufende Wellen in der Mem­ bran durch eine komplizierte flächige Unterlage so zu bedämpfen, daß, ausgehend von der punktförmigen An­ regung, die Wellen radial nach außen laufen. Mit der komplizierten flächigen Dämpfungsstruktur für die fo­ lienartige Membran werden störende Reflexionen ver­ mieden.

Die vorliegende Erfindung geht wie die beiden letzt­ genannten Zitate ebenfalls von der Erkenntnis aus, daß ein optimaler Wandler der genannten Art ein aku­ stisches Signal, wie eine punktförmige Schallquelle, abgeben sollte. Sie setzt sich zum Ziel, von dieser Einsicht ausgehend, einen konstruktiv einfachen Wand­ ler vorzuschlagen, welcher mindestens in einem großen Bereich des hörbaren Frequenzbereiches lineare Wandlereigenschaften aufweist und dabei sehr nahe an das Verhalten einer ideal punktförmigen Schallquelle herankommt.

Dies wird bei Vorgehen nach dem kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 erreicht.

Dabei geht die Erfindung von der weiteren Einsicht aus, daß das Schallfeld einer unterhalb ihrer Grenz­ frequenz in Luft punktförmig zu Biegewellen angereg­ ten, unendlich ausgedehnten Platte, insbesondere ebe­ nen Platte mit homogener Materialstruktur, dem ange­ strebten Idealbild der punktförmigen Schallquelle entspricht. Es ist eines der wesentlichen Merkmale an einer solchen Platte, daß angeregte Wellen mit ab­ nehmender Amplitude radial nach außen laufen und nicht reflektiert werden. Hierzu ist die Platte am Rand nicht eingespannt, so daß sich dort ein akusti­ scher Kurzschluß einstellt. Damit entstehen keine stehenden Wellen bzw. Resonanzbilder.

Ausgehend von dieser weiteren Erkenntnis wird gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren vorgeschlagen, eine endliche, biegeelastische, vorzugsweise im wesentli­ chen plane und homogene Platte im wesentlichen zen­ tral anzuregen und so zu bedämpfen, und zwar durch Wahl ihrer Dimension, insbesondere auch ihrer Dicke, ihres Materials sowie ihrer Aufhängung, daß angereg­ te, in ihrer Amplitude, wie gefordert, nach außen stetig abnehmende Wellen nur soviel Reflexionen er­ fahren, und zwar sowohl an ihrem Rand die auch an der Aufhängung, daß das Schallfeld nur unwesentlich be­ einflußt wird. Wie erwähnt, wird sie dazu am Rande vorzugsweise nicht eingespannt.

Bevorzugterweise wird gemäß Anspruch 2 vorgegangen.

Obwohl die Anregung im allgemeinen Fall durch eine Vielzahl hierfür bekannter Elemente vorgenommen wer­ den kann, wird bevorzugterweise der Treiber mit einer Schwingspule als elektrodynamischer Treiber gemäß Anspruch 3 ausgebildet. Dabei wird die Punktförmig­ keit der Anregung dadurch erreicht, daß die geome­ trische Ausdehnung der Treiberangriffsfläche an der Platte wesentlich kleiner gewählt wird, so z. B. in einem Verhältnis von ca. 1 : 10⁴, also um mehr als 2, vorzugsweise 3 bzw. 4 Zehnerpotenzen kleiner.

Um im weiteren den erwähnten elektrodynamischen Trei­ ber bzw. dessen Schwingspule in bevorzugter Art und Weise als Kraftquelle zu betreiben, wird, dem Wort­ laut von Anspruch 4 folgend, vorgeschlagen, die Spule mit einer Stromquelle zu treiben.

Die Platte wird vorzugsweise gemäß Anspruch 5 bzw. 6 aufgehängt.

Eine einfache Konstruktion ergibt sich dabei nach An­ spruch 7 dadurch, daß die Platte über verformungs­ weiche Biegepartien, vorzugsweise an ihr selbst ange­ formt, gelagert wird. Hierdurch wird eine Störung des Platten-Biegeverhaltens minimalisiert.

Ein Wandler zur Lösung der erfindungsgemäß gestell­ ten Aufgabe zeichnet sich nach dem Wortlaut von An­ spruch 8 aus.

Durch Vorgehen nach Anspruch 9 wird sichergestellt, daß die bevorzugterweise durch den Treiber ausgeüb­ te, angesteuerte, schwingende Kraft optimal und punktförmig auf die Platte übertragen wird.

Als Treiber wird, dem Wortlaut von Anspruch 10 fol­ gend, insbesondere in der bevorzugten Anwendung des erfindungsgemäßen Wandlers als Lautsprecher ein elektrodynamischer Treiber eingesetzt, dessen Schwingspule mit der Platte starr verbunden, vorzugs­ weise verklebt ist.

Die Schwingspule wird, dem Wortlaut von Anspruch 11 folgend, bevorzugterweise mindestens genähert mittels einer Stromquelle betrieben, um das Verhalten einer Kraftquelle aufzuweisen.

Durch die bevorzugte Ausbildung nach dem Wortlaut von Anspruch 12 wird eine optimal biegefreie Aufhängung der Platte realisiert, indem die Aufhängungslaschen als weiche Biegefedern wirken. Die Aufhängung der Platte, nicht an ihrem Randbereich, sondern innerhalb ihrer Flächenausdehnung ergibt wesentlich einfacher die Möglichkeit, wie gefordert, Reflexionen von Bie­ gewellen an der Platte zu minimalisieren, als wenn die Platte randständig aufgehängt wird.

Eine weitere bevorzugte Ausführungsform zeichnet sich weiter nach dem Wortlaut von Anspruch 13 aus, woraus ersichtlich wird, wie einfach der vorgeschlagene Wandler, insbesondere der vorgeschlagene Lautspre­ cher, aufgebaut sein kann.

Die Platte wird im weiteren vorzugsweise dem Wortlaut von Anspruch 14 folgend aufgebaut, womit, insbesonde­ re in der Anwendung als Lautsprecher und in Kombina­ tion mit den Merkmalen von Anspruch 13, ein ästhe­ tisch schöner, flacher und unauffälliger Lautsprecher entsteht.

Es hat sich gezeigt, daß der vorgeschlagene Wandler über einen weiten Bereich des hörbaren Frequenzspek­ trums außerordentlich gute akustische Eigenschaften aufweist und sich ideal für den Genuß insbesondere auch klassischer Musik eignet. Der Aufbau des Wand­ lers ist außerordentlich kostengünstig.

Dem Wortlaut von Anspruch 15 folgend, wird weiter der erfindungsgemäße Wandler mit einer Schwingspule, als Satz, mit ihr zugeordnetem Verstärker vorgeschlagen, bei welchem die Ausgangsstufe mindestens genähert auch durch eine Stromquelle gebildet ist.

Es hat sich nämlich gezeigt, daß, insbesondere in der Verwendung nach Anspruch 16 des erfindungsgemäßen Wandlers, durch Kraftquellen- bzw. Stromquellen­ ansteuerung eine weitere Verbesserung des akustischen Verhaltens erzielt wird.

Die Erfindung wird anschließend beispielsweise an­ hand von Figuren erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 schematisch, die Aufsicht auf einen als Laut­ sprecher ausgebildeten erfindungsgemäßen Wandler, welcher nach dem erfindungsgemäßen Verfahren arbeitet;

Fig. 2 qualitativ über eine Ortsachse x, die Aus­ breitung angeregter Wellenamplituden am Wand­ ler gemäß Fig. 1;

Fig. 3 eine bevorzugte Ausführungsvariante des Trei­ bers für den als Lautsprecher ausgebildeten erfindungsgemäßen Wandler sowie dessen be­ vorzugte Ansteuerung.

Gemäß Fig. 1 umfaßt der erfindungsgemäße Wandler, hier als Lautsprecher in seiner bevorzugten Verwen­ dung ausgebildet, eine ebene Wandlerplatte 1, bevor­ zugterweise aus einem Kunststoff und vorzugsweise mit homogener Materialstruktur. Als Kunststoff eignet sich insbesondere ein Polycarbonat, transparentes Po­ lyamid oder ein anderes, vorzugsweise transparentes, amorphes Polymer. Selbstverständlich kann die Platte 1 auch undurchsichtig, z. B. eingefärbt sein. Bei ei­ nem bevorzugten, heute realisierten Lautsprecher wur­ de ein Acrylglas, nämlich Plexiglas, eingesetzt.

In die Wandlerplatte 1 sind U-förmige Schlitze 3 ein­ gearbeitet, bevorzugterweise mit erweiterten Schen­ kelabschlüssen 4. Die U-förmigen Schlitze 3 definie­ ren verformungsweiche Laschen 6, die, wie in Fig. 1 dargestellt, bevorzugterweise symmetrisch zu einem Zentrumsbereich Z der Platte angeordnet sind und par­ allele Achsen A aufweisen. Es sind mindestens zwei derartige Laschen 6 vorgesehen, vorzugsweise drei bzw., wie dargestellt, vier. Die Laschen 6 bilden die Aufhängungen für die Wandlerplatte 1.

Gemäß Fig. 1 ist, in bevorzugter Ausführungsform, beispielsweise aus Vierkant-Metallrohr, ein Doppel-T- Trägerrahmen 8 vorgesehen. Die Platte ist mit den La­ schen 6 je endständig an den zwei T-Querbalken 9 des Doppel-T-Rahmens 8 aufgehängt, und zwar bezüglich des Rahmens 8, in Richtung senkrecht zur Figurenebene ge­ nähert freibeweglich und so beabstandet, daß im Zen­ trumsbereich Z der Treiber 10 zwischen Hauptholm 12 und Platte 1 eingebaut werden kann. Mindestens die zwei der Laschen 6 sind an den erwähnten Querbalken 9 starr befestigt, beispielsweise, wie bei 14 darge­ stellt, damit verschraubt. Die Wirkfläche des Trei­ bers 10 an Platte 1 beträgt z. B. ca. 5 cm² bei einer Plattenfläche von ca. 10⁴cm⁴. Dieses Verhältnis ist keinesfalls kritisch, zeigt aber, daß eine punktför­ mige Anregung der Platte 1 sehr gut angenähert werden kann.

Die Wandlerplatte 1 kann grundsätzlich beliebig ge­ formt sein, dehnt sich aber vorteilhafterweise, aus­ gehend von ihrem Zentrum Z aus, nach allen Seiten im wesentlichen gleich ,aus und ist, weitaus bevorzugt, eben.

Das Material der Platte 1 sowie ihre Dimension, ins­ besondere ihre Dickendimension, und die Ausbildung ihrer Aufhängung, gemäß Fig. 1 der Laschen 6, werden so gewählt, daß, wie in Fig. 2 schematisch darge­ stellt, bei einer Plattenanregung bei Z, Wellen mit gedämpft abnehmender Amplitude  in alle Richtungen x gemäß Fig. 1 verlaufen und an Orten möglicher Refle­ xionen, wie insbesondere am Plattenrand x₀, so weit abgeklungen sind, daß im wesentlichen keine Refle­ xionen störender Amplitude auftreten.

In Fig. 2 ist, qualitativ, gestrichelt der Amplitu­ denverlauf bei zu wenig bedämpfter Platte 1 darge­ stellt, mit dem Entstehen reflektierter Wellen, wel­ che Anlaß zur Bildung stehender Wellen an der Platte 1 geben würden. Wird die Wandlerplatte 1 in ihrem Zentrumsbereich Z mit einer oszillierenden Kraft an­ geregt, so ergibt sich ein zur Anregungskraft propor­ tionaler Schalldruck. Die Platte 1 strahlt akustisch wie eine Punktschallquelle in ihrem Zentrum Z. Dabei ist es ohne weiteres möglich, das Punktquellenverhal­ ten über den ganzen hörbaren Frequenzbereich sicher­ zustellen. Die Platte 1 strahlt allseitig ab. Da vor­ zugsweise keine Aufhängung in ihrem Randbereich vor­ gesehen ist, wird dort ein akustischer Kurzschluß erstellt.

Wie erwähnt wurde, hat sich die Verwendung von Plexi­ glas außerordentlich gut bewährt.

Gemäß Fig. 3 wird in einer bevorzugten Ausführungs­ form am Mittelholm 12 des Doppel-T-Rahmens 8 ein elektro-dynamischer Treiber 13 mit Schwingspule 16 und Permanentmagnet 18 vorgesehen. Spule 16 wird auf einem Spulenträger 17 starr mit der Platte 1 verbun­ den, bevorzugterweise, wie bei 20 dargestellt, damit verleimt. Ein solcher Treiber wird bevorzugterweise, wie dargestellt, durch einen Verstärker 22 getrieben, dessen Ausgangsstufe 24 mindestens genähert Strom­ quellencharakteristik hat, so daß der Treiber 13 mit einem zur Anregungsspannung u(t) proportionalen Strom i(t) die Schwingspule 16 treibt, wodurch die Anre­ gungskraft für die Platte 1 proportional zum Audiosi­ gnal u(t) wird.

Als Platte wird heute eingesetzt:

• - Dicke der Platte: < 1,8 mm
• - Material der Platte: Plexiglas.

Mit dem dargestellten erfindungsgemäßen Wandler, der in seiner Konstruktion höchst einfach ist und in sei­ ner Herstellung sehr preisgünstig, werden erstaunlich gute akustische Eigenschaften erwirkt, die einen sol­ chen Lautsprecher durchaus in die Klasse der für höchste Ansprüche geeigneten Lautsprecher treten las­ sen.

Claims (16)

1. Verfahren zum Wandeln der mechanischen Schwingung eines Treibers in ein akustisches Signal, dadurch ge­ kennzeichnet, daß eine biegeelastische Platte über ihre Ausdehnung im wesentlichen frei biegbar aufge­ hängt wird und im wesentlichen zentral durch den Treiber angeregt wird und daß die biegeelastische Platte durch Wahl ihrer Dimension, ihres Materials sowie ihrer Aufhängung zur Näherung ihres Schwingver­ haltens an dasjenige einer unendlich ausgedehnten, lokal angeregten Platte bedämpft wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Platte mindestens genähert mittels der schwingenden Kraft des als Kraftquelle betriebenen Treibers angeregt wird.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, da­ durch gekennzeichnet, daß der Treiber als elektrody­ namischer Treiber mit einer Schwingspule ausgebildet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwingspule durch eine Quelle mindestens ge­ nähert mit Stromquellencharakteristik betrieben wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, daß die Platte quer zu ihrer Ausdehnung im wesentlichen frei beweglich aufgehängt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Platte innerhalb ihrer Flächenausdehnung und vorzugsweise in ihrem Randbereich und vorzugsweise im wesentlichen an bezüglich ihrer Ausdehnung kleinen Bereichen aufgehängt wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, da­ durch gekennzeichnete daß die Platte über verfor­ mungsweiche Biegepartien, vorzugsweise an ihr selbst angeformt, gelagert wird.

8. Wandler zum Wandeln der mechanischen Schwingung eines Treibers (18) in ein akustisches Signal, da­ durch gekennzeichnet, daß er eine biegeelastische Wandlerplatte (1) umfaßt, welche im wesentlichen frei biegbar aufgehängt (6, 14) ist und in ihrem Zen­ trumsbereich (Z) mit dem Treiber (18) wirkverbunden ist, wobei Dimension, Material und Aufhängung der Platte (1) so gewählt sind, daß ihr Schwingverhalten demjenigen einer unendlich ausgedehnten, lokal ange­ regten Platte angenähert ist.

9. Wandler nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil des Treibers (18) mit der Wandlerplatte (1) starr verbunden ist, vorzugsweise damit verklebt (20) ist.

10. Wandler nach einem der Ansprüche 8 oder 9, da­ durch gekennzeichnet, daß eine Schwingspule des Treibers (18) mit der Platte starr verbunden, vor­ zugsweise verklebt ist.

11. Wandler nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwingspule mit einer Quelle (24) minde­ stens genähert mit Stromquellencharakteristik verbun­ den ist.

12. Wandler nach einem der Ansprüche 8 bis 11, da­ durch gekennzeichnet, daß mindestens zwei U-förmige Schlitze (3), vorzugsweise mit gleichgerichteter U- Achse, in der Platte (1) eingearbeitet sind und die Platte (1) an den dadurch gebildeten Laschen (6) auf­ gehängt ist.

13. Wandler nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß, im wesentlichen ein Rechteck auf spannend, vier U-Schlitze (3) eingearbeitet sind und die Wandler­ platte (1) an den Querbalken (9) eines Doppel-T′s (8) aufgehängt ist, wobei der Treiber zwischen Platte und T-Mittelholm (12) angeordnet ist.

14. Wandler nach einem der Ansprüche 8 bis 13, da­ durch gekennzeichnet, daß die Platte (1) aus einem Kunststoff besteht, wie aus Polycarbonat, transparen­ tem Polyamid oder aus einem anderen geeigneten, vor­ zugsweise transparenten, amorphen Polymer, vorzugs­ weise aus einem Acrylglas, wie aus Plexiglas (einge­ tragene Marke), besteht.

15. Wandler nach einem der Ansprüche 8 bis 14, mit einer Schwingspule und ihr zugeordnetem Verstärker, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsstufe (24) des Verstärkers (22) mindestens genähert Stromquel­ lencharakteristik aufweist.

16. Wandler nach einem der Ansprüche 8 bis 15, da­ durch gekennzeichnet, daß die Platte eine homogene Materialstruktur aufweist.