DE4335087B4

DE4335087B4 - Verfahren und Wandler zum Wandeln der mechanischen Schwingung eines Treibers in ein akustisches Signal

Info

Publication number: DE4335087B4
Application number: DE19934335087
Authority: DE
Inventors: Gyoergy Csikos
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1992-10-20
Filing date: 1993-10-14
Publication date: 2005-12-22
Anticipated expiration: 2013-10-15
Also published as: CH684670A5; DE4335087A1

Abstract

Verfahren zum Wandeln der mechanischen Schwingung eines Treibers in ein akustisches Signal, dadurch gekennzeichnet, dass eine biegeelastische Platte mit homogener Materialstruktur über verformungsweiche Laschen (6) an einem Rahmen (8) aufgehängt ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Wandeln der mechanischen Schwingung eines Treibers in ein akustisches Signal, 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 einteilen. 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 wesentlichen nicht formstabile Membrane zentrisch und peripher derart aufgehängt, dass sie durch die Schwingung eines Treibers, wie der Schwingspule eines elektrodynamischen Wandlers, zur Abgabe eines akustischen Signals angeregt werden kann.

Bei der zweiten Kategorie werden durch einen derartigen Treiber formsteife Platten kolbenartig in Schwingung versetzt, wozu eine schwierige Optimierung zwischen Plattengewicht, deren Steifheit und Ausdehnung notwendig ist. Bezüglich dieser Kategorie der erwähnten 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 weiteren bekannt, eine dünne, flexible Membran zentrisch anzuregen und nach außen laufende Wellen in der Membran durch eine komplizierte flächige Unterlage so zu bedämpfen, dass, ausgehend von der punktförmigen Anregung, die Wellen radial nach außen laufen. Mit der komplizierten flächigen Dämpfungsstruktur für die folienartige Membran werden störende Reflexionen vermieden.

Die vorliegende Erfindung geht wie die beiden letztgenannten Zitate ebenfalls von der Erkenntnis aus, dass ein optimaler Wandler der genannten Art ein akustisches Signal, wie eine punktförmige Schallquelle, abgeben sollte. Sie setzt sich zum Ziel, von dieser Einsicht ausgehend, ein Verfahren und einen Wandler zum Wandeln der mechanischen Schwingung eines Treibers in ein akustisches Signal vorzuschlagen, wobei durch den Einsatz des Verfahrens und des Wandlers mindestens in einem großen Bereich des hörbaren Frequenzbereiches lineare Wandlereigenschaften erreicht werden.

Dies wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 und einen Wandler gemäß Anspruch 5 erreicht.

Dabei geht die Erfindung von der weiteren Einsicht aus, dass das Schallfeld einer unterhalb ihrer Grenzfrequenz in Luft punktförmig zu Biegewellen angeregten, unendlich ausgedehnten Platte, insbesondere ebenen Platte mit homogener Materialstruktur, dem angestrebten Idealbild der punktförmigen Schallquelle entspricht. Es ist eines der wesentlichen Merkmale an einer solchen Platte, dass angeregte Wellen mit abnehmender Amplitude radial nach außen laufen und nicht reflektiert werden. Hierzu ist die Platte am Rand nicht eingespannt, so dass sich dort ein akustischer Kurzschluss einstellt. Damit entstehen keine stehenden Wellen bzw. Resonanzbilder.

Ausgehend von dieser weiteren Erkenntnis wird vorgeschlagen, eine endliche, biegeelastische, vorzugsweise im wesentlichen plane und homogene Platte im wesentlichen zentral anzuregen und so zu bedämpfen, und zwar durch Wahl ihrer Dimension, insbesondere auch ihrer Dicke, ihres Materials sowie ihrer Aufhängung, dass angeregte, in ihrer Amplitude, wie gefordert, nach außen stetig abnehmende Wellen nur soviel Reflexionen erfahren, und zwar sowohl an ihrem Rand wie auch an der Aufhängung, dass das Schallfeld nur unwesentlich beeinflusst wird. Wie erwähnt, wird sie dazu am Rand vorzugsweise nicht eingespannt.

Bevorzugterweise ist eine Ausgangsstufe mit genäherter Stromquellencharakteristik ausgelegt.

Obwohl die Anregung im allgemeinen Fall durch eine Vielzahl hierfür bekannter Elemente vorgenommen werden kann, wird bevorzugterweise der Treiber mit einer Schwingspule als elektrodynamischer Treiber ausgebildet. Dabei wird die Punktförmigkeit der Anregung dadurch erreicht, dass die geometrische 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 Treiber bzw. dessen Schwingspule in bevorzugter Art und Weise als Kraftquelle zu betreiben, wird vorgeschlagen, die Spule mit einer Stromquelle zu treiben.

Eine einfache Konstruktion ergibt sich dadurch, dass die Platte über verformungsweiche Biegepartien, vorzugsweise an ihr selbst angeformt, gelagert wird. Hierdurch wird eine Störung des Platten-Biegeverhaltens minimalisiert.

Der erfindungsgemäße Wandler stellt sicher, dass die bevorzugterweise durch den Treiber ausgeübte, angesteuerte, schwingende Kraft optimal und punktförmig auf die Platte übertragen wird.

Als Treiber, insbesondere in der bevorzugten Anwendung des erfindungsgemäßen Wandlers als Lautsprecher, wird ein elektrodynamischer Treiber eingesetzt, dessen Schwingspule mit der Platte starr verbunden, vorzugsweise verklebt ist.

Die Schwingspule wird bevorzugterweise mindestens genähert mittels einer Stromquelle betrieben, um das Verhalten einer Kraftquelle aufzuweisen.

Es soll eine optimal biegefreie Aufhängung der Platte realisiert werden, 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 Biegewellen an der Platte zu minimalisieren, als wenn die Platte randständig aufgehängt wird.

Der vorgeschlagene Wandler, insbesondere der vorgeschlagene Lautsprecher, kann einfach aufgebaut sein.

Insbesondere kann ein ästhetisch schöner, flacher und unauffälliger Lautsprecher entstehen.

Es hat sich gezeigt, dass der vorgeschlagene Wandler über einen weiten Bereich des hörbaren Frequenzspektrums außerordentlich gute akustische Eigenschaften aufweist und sich ideal für den Genuss insbesondere auch klassischer Musik eignet. Der Aufbau des Wandlers ist außerordentlich kostengünstig.

Der erfindungsgemäße Wandler wird insbesondere mit einer Schwingspule, als Satz, mit ihr zugeordnetem Verstärker ausgestattet, bei welchem die Ausgangsstufe mindestens genähert auch durch eine Stromquelle gebildet ist.

Es hat sich nämlich gezeigt, dass durch Kraftquellen- bzw. Stromquellenansteuerung eine weitere Verbesserung des akustischen Verhaltens des Wandlers erzielt wird.

Die Erfindung wird anschließend beispielsweise anhand von Figuren erläutert.

Es zeigen:
1 schematisch, die Aufsicht auf einen als Lautsprecher ausgebildeten erfindungsgemäßen Wandler, welcher nach dem erfindungsgemäßen Verfahren arbeitet;
2 qualitativ über eine Ortsachse x, die Ausbreitung angeregter Wellenamplituden am Wandler gemäß 1;
3 eine bevorzugte Ausführungsvariante des Treibers für den als Lautsprecher ausgebildeten erfindungsgemäßen Wandler sowie dessen bevorzugte Ansteuerung.
Gemäß 1 umfasst der erfindungsgemäße Wandler, hier als Lautsprecher in seiner bevorzugten Verwendung ausgebildet, eine ebene Wandlerplatte 1, bevorzugterweise aus einem Kunststoff und vorzugsweise mit homogener Materialstruktur. Als Kunststoff eignet sich insbesondere ein Polycarbonat, transparentes Polyamid oder ein anderes, vorzugsweise transparentes, amorphes Polymer. Selbstverständlich kann die Platte 1 auch undurchsichtig, z. B. eingefärbt sein. Bei einem bevorzugten, heute realisierten Lautsprecher wurde ein Acrylglas, nämlich Plexiglas (eingetragene Marke), eingesetzt.
In die Wandlerplatte 1 sind U-förmige Schlitze 3 eingearbeitet, bevorzugterweise mit erweiterten Schenkelabschlüssen 4. Die U-förmigen Schlitze 3 definieren verformungsweiche Laschen 6, die, wie in 1 dargestellt, bevorzugterweise symmetrisch zu einem Zentrumsbereich Z der Platte angeordnet sind und parallele 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 1 ist, in bevorzugter Ausführungsform, beispielsweise aus Vierkant-Metallrohr, ein Doppel-T-Trägerrahmen 8 vorgesehen. Die Platte ist mit den Laschen 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 genähert freibeweglich und so beabstandet, dass im Zentrumsbereich 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 dargestellt, damit verschraubt. Die Wirkfläche des Treibers 10 an Platte 1 beträgt z. B. ca. 5 cm² bei einer Plattenfläche von ca. 10 cm². Dieses Verhältnis ist keinesfalls kritisch, zeigt aber, dass eine punktförmige Anregung der Platte 1 sehr gut angenähert werden kann.
Die Wandlerplatte 1 kann grundsätzlich beliebig geformt sein, dehnt sich aber vor teilhafterweise, ausgehend 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, insbesondere ihre Dickendimension, und die Ausbildung ihrer Aufhängung, gemäß 1 der Laschen 6, werden so gewählt, dass, wie in 2 schematisch dargestellt, bei einer Plattenanregung bei Z, Wellen mit gedämpft abnehmender Amplitude A in alle Richtungen x gemäß 1 verlaufen und an Orten möglicher Reflexionen, wie insbesondere am Plattenrand x₀, so weit abgeklungen sind, dass im wesentlichen keine Reflexionen störender Amplitude auftreten.
In 2 ist, qualitativ, gestrichelt der Amplitudenverlauf bei zu wenig bedämpfter Platte 1 dargestellt, mit dem Entstehen reflektierter Wellen, welche Anlass zur Bildung stehender Wellen an der Platte 1 geben würden. Wird die Wandlerplatte 1 in ihrem Zentrumsbereich Z mit einer oszillierenden Kraft angeregt, so ergibt sich ein zur Anregungskraft proportionaler Schalldruck. Die Platte 1 strahlt akustisch wie eine Punktschallquelle in ihrem Zentrum Z. Dabei ist es ohne weiteres möglich, das Punktquellenverhalten über den ganzen hörbaren Frequenzbereich sicherzustellen. Die Platte 1 strahlt allseitig ab. Da vorzugsweise keine Auflhängung in ihrem Randbereich vorgesehen ist, wird dort ein akustischer Kurzschluss erstellt.
Wie erwähnt wurde, hat sich die Verwendung von Plexiglas (eingetragene Marke) außerordentlich gut bewährt.
Gemäß 3 wird in einer bevorzugten Ausführungsform 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 verbunden, bevorzugterweise, wie bei 20 dargestellt, damit verleimt. Ein solcher Treiber wird bevorzugterweise, wie dargestellt, durch einen Verstärker 22 getrieben, dessen Ausgangsstufe 24 mindestens genähert Stromquellencharakteristik hat, so dass der Treiber 13 mit einem zur Anregungsspannung u(t) proportionalen Strom i(t) die Schwingspule 16 treibt, wodurch die Anregungskraft für die Platte 1 proportional zum Audiosignal 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 seiner Herstellung sehr preisgünstig, werden erstaunlich gute akustische Eigenschaften erwirkt, die einen solchen Lautsprecher durchaus in die Klasse der für höchste Ansprüche geeigneten Lautsprecher treten lassen.

Claims

Verfahren zum Wandeln der mechanischen Schwingung eines Treibers in ein akustisches Signal, dadurch gekennzeichnet, dass eine biegeelastische Platte mit homogener Materialstruktur über verformungsweiche Laschen (6) an einem Rahmen (8) aufgehängt ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Ausgangsstufe mit genäherter Stromquellencharakteristik ausgelegt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Platte mit einer Dicke von weniger als 1,8 mm eingesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Platte aus Plexiglas besteht.
Wandler zum Wandeln der mechanischen Schwingung eines Treibers (18) in ein akustisches Signal mit einer durch den Treiber (18) im wesentlichen zentral angeregten Platte (1), dadurch gekennzeichnet, dass die Platte biegeelastisch ist, aus homogenem Material besteht und über verformungsweiche Laschen (6) an einem Rahmen (8) aufgehängt ist.
Wandler nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Wandler eine Ausgangsstufe mit genäherter Stromquellencharakteristik aufweist.
Wandler nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Treiber als elektrodynamischer Treiber mit Schwingspule ausgebildet ist.
Wandler nach Anspruch 5, 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil des Treibers (18) mit der Platte in deren Zentrum starr verbunden ist.
Wandler nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Teil mit der Platte verklebt ist.
Wandler nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Teil des Treibers eine Schwingspule ist.
Wandler nach einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, verformungsweichen Laschen (6) an der Platte durch jeweils U-förmige Schlitze gebildet sind.
Wandler nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die U-förmigen Schlitze in gleicher Richtung ausgerichtet sind.
Wandler nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Platte rechteckförmig ist, in den Eckbereichen je eine Lasche (6) vorgesehen ist, die Platte mittels der Laschen (6) an den Querbalken (9) eines Doppel-T-Rahmens (8) aufgehängt ist und der Treiber zwischen Platte und T-Mittelholm (12) des Doppel-T-Rahmens (8) montiert ist.
Wandler nach einem der Ansprüche 5 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Platte aus einem Kunststoff besteht, vorzugsweise aus Polycarbonat, transparentem Polyamid oder aus einem anderen, vorzugsweise transparentem amorphem Polymer, vorzugsweise aus einem Acrylglas, bevorzugterweise aus Plexiglas.