DE596115C - Halterung fuer als Kolben schwingende Membranen akustischer Geraete, die durch eine oder mehrere der Berandung der Membran folgende gebogene Federn gebildet wird - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine neuartige Ausbildung der Befestigung von Membranen, insbesondere von Lautsprechermembranen.

Eine wesentliche Rolle für die einwandfreie Wiedergabe eines Lautsprechers spielt die Verbindung der Membran mit dem Gehäuse bzw. mit den die Membran tragenden Teilen. Kolbenmembranen, die in ihren sämtlichen Teilen starr und gleichphasig mit dem Antrieb mitgehen sollen, werden bei den bekannten Anordnungen in ein dämpfendes Material (Filz ο. dgl.), das verhältnismäßig große Amplituden zulassen kann, gelagert oder aber mit Leder, Gummifäden, Stahlseiten, Blattfedern u. dgl. am Gehäuse befestigt. Bei diesen Ausführungen besteht die Gefahr, daß entweder die Schallführung unbefriedigend ist oder wie bei der Filzdämpfung zeitlich veränderliche und unübersehbare Verhältnisse eintreten. Es ist deshalb erforderlich, die Membran elastisch mit dem Gehäuse zu verbinden, wobei folgende Bedingungen zu erfüllen sind:

i. Der Rand muß einen Druckausgleich der Luft um die Membran herum vollkommen verhindern.

2. Die Randhalterung muß eine so geringe Federwirkung besitzen, daß die Eigenschwin-

gung der starren .Membran mit dem federnden Rand in der Gegend von 30 Hz liegt.

3. Die Masse der Randhalterung muß klein sein gegen die Membranmasse, sonst wird die Membranbewegung bereits durch die Massenhemmung der Randhalterung beeinflußt.

4. Ausgesprochene Oberschwingungen dürfen nicht eintreten.

5. Die Federkraft, bezogen auf die Verschiebungseinheit, darf- sich auch bei verhältnismäßig großen Amplituden der Membran nur wenig ändern.

6. Es darf keine plastische Deformation des Randes auftreten.

Die allgemein übliche Lagerung einer Konusmembran durch einen gespannten Rand aus dünnem Leder verstößt nicht unerheblich gegen die Forderungen 2, 3 und 5. Die relativ gute Brauchbarkeit einer solchen Membran beruht vermutlich zum großen Teil darauf, daß der Konus in Wirklichkeit nicht absolut starr ist.

Es ist bereits bekannt, die Halterung von Membranen durch selbständige, gebogene Federn vorzunehmen. Diese Federn besaßen einen Querschnitt, der aneinanderstoßende Geraden aufweist, die durch Kurven sehr geringen Krümmungshalbmessers miteinander verbunden waren. Diese Federn konnten angenähert als Viertelkreisfedern angesprochen werden.

Gemäß der Erfindung werden nun die Forderungen ι bis 6 dadurch erfüllt, daß die HaI-

*) Von dem Patentsucher ist als der Erfinder angegeben worden:

Dr. Walter Schottky in Berlin-Siemensstadt,

terung einer in sich versteiften, als Kolben schwingenden Membran durch gebogene Federn gebildet wird, die die Form langgestreckter zylindrischer Teile mit ganz oder nahezu halbkreisförmigem Querschnitt haben und mit ihrer freien Längskante einerseits an demRande der Membran, andererseits an dem Gehäuserande befestigt sind. Diese Federn werden vorteilhaft aus dünner Aluminiumfolie hergestellt. Die Folie folgt der Membran, wie erwähnt, längs ihrer ganzen Berandung. Zu diesem Zweck muß der Membranrand aus im wesentlichen geradlinigen Teilen bestehen. Bei eckigen Membranen macht diese Art der Befestigung keine Schwierigkeiten ; bei kreisförmigen Membranen bzw. bei Formmembranen mit kreisförmiger Basis (Konusmembranen, Sektormembranen o. dgl.) sind zwei Fälle zu unterscheiden. Ist der Radius R der Membranbasis sehr groß, d. h.

Λ²
von der Größenordnung -jj (a halbe Rand-

halterungsbreite, H Dicke der Randfederung), so kann die Randfeder der gebogenen Kontür der Membran direkt folgen. Ist dagegen a² -jj,so müssen die der Einspannung dienenden Basisteile geradlinige Abschnitte aufweisen oder mit geradlinigen Ansatzstücken versehen sein. Es hat sich nun durch Rechnung herausgestellt, daß sehr günstige Ergebnisse erhalten werden bei annähernd halbzylindrisch gebogenen Randfedern, deren Durchmesser etwa 3 bis 5 mm beträgt, bei einer Dicke der Metallfolie von S bis 10 μ. Mit Federn dieser Abmessungen werden die oben gestellten Forderungen einwandfrei erfüllt. Es ist nicht unbedingt erforderlich, Federn mit halbkreisförmigem Querschnitt zu verwenden. Es genügt bereits, wenn der Querschnitt der Feder annähernd ein Halbkreisbogen ist.

Die Vorteile der Halbkreisfedern beruhen insbesondere auf den nachstehend noch erörterten günstigen physikalischen Eigenschaften. Weiterhin ist auch die Fabrikation der der Halterung dienenden Teile wesentlich einfacher als bei den bekannten Einrichtungen. Die Ausbildung der der Berandung folgenden Federn verhindert den akustischen Kurzschluß um den Rand der Membran herum, ohne daß die Vorteile der äußerst nachgiebigen Halterung aufgegeben werden müssen.

Zum Nachweis der besseren physikalischen Eigenschaften seien die Verhältnisse diskutiert zwischen einer geraden Balkenfeder und den Halbzylinderfedern gemäß der Erfindung. Da die Viertelkreisfeder nur ein Zwischenfall zwischen der geraden Balkenfeder und der Halbkreisfeder ist, sind auch noch von Viertelkreis- zu Halbkreisfeder Fortschritte vorhanden, insbesondere durch das günstige Verhältnis von Federlänge zu größtmöglicher geradliniger Bewegung.

Das Verhältnis von erster Eigenschwingung der Feder zur Grundschwingung des Systems, bei der die Feder als reine Elastizität wirkt, ist bei der geraden Balkenfeder

CW₁₁

= 6,46

!embran

Mpeder

Das gleiche Verhältnis ist bei der tangential beanspruchten Halbkreisfeder (Anspruch 2)

™1 CO_n

J/

■^Membran
Mpeder

Bei der radial beanspruchten Halbkreisfeder (Anspruch 3) ist dieses Verhältnis

CO₀

~ ⁹

Ί / MM

y M-

embran

M-Feder

In diesen Gleichungen bedeuten W₁ die erste Eigenschwingung der Feder, w₀ die Grundschwingung des Systems, bei der die Feder als reine Elastizität wirkt, ^Membran die Membranmasse, -Mieder die Federmasse. Be-

,. , j TTi.-.,,. Membranmasse

trachtet man nun das Verhältnis —=-3

Federmasse

als konstant, so< ist zu ersehen, daß die Halbkreisfeder bei gegebener Grundschwingung eine wesentlich höhere erste Eigenschwingung besitzt als die Balkenfederung.

In diesem Zusammenhang sei noch be-

ixjoj it- 1-1 · Membranmasse

merkt, daß das Verhältnis von —=-3

Federmasse

bei Balkenfedern nicht beliebig vergrößert werden kann, da die Balkenfeder eine bestimmte Minimallänge haben muß. Es treten sonst Nichtlinearitäten auf, die eine Verzerrung in die Wiedergabe bringen. Bei größeren Amplituden kann bei sehr kurzer Balkenlänge nicht mehr mit konstanter Federkraft, bezogen auf die Verschiebungseinheit, gerechnet werden.

Aber auch bezüglich der maximalen Dehnung bei gegebener Amplitude ist die Halbkreisfeder vorteilhafter als die Balkenfeder. Es bedeute e_max die maximale Dehnung bei einer bestimmten Amplitude y. Dann gilt für die gerade Balkenfeder

Co₁₁

-^Membran

Für die tangential beanspruchte Halbkreisfeder gilt dann

Membran

M_Fede

Aus den beiden Gleichungen ist zu ersehen, . daß die Halbk'reisfeder bei gegebener Grundschwingung und bei gegebener Amplitude so-

... , ,_r , ... . Membranmasse

_e wie bei gegebenem Verhältnis

Federmasse

eine kleinere Dehnung aufweist, d. h. der Bereich der nichtlinearen Verzerrungen wird bei der Halbkreisfeder erst bei größeren Amplituden erreicht als bei der Balkenfeder.

Die Wirkungsweise der Federn bleibt im wesentlichen ungeändert, unabhängig davon, ob die Feder auf Zusammendrückung beansprucht wird, der Antrieb der Membran also in Richtung des Radius an der Einspann-

!5 stelle erfolgt, oder ob die Anordnung so getroffen ist, daß die Membran in Richtung der Tangente an den Kreisbogenquerschnitt der Feder an der Einspannstelle angetrieben wird. An den Ecken, an denen zwei Kanten der Membran zusammenstoßen, _ könnte; wenn die Federlänge gleich der Kantenlänge ist, ein akustischer Kurzschluß um die Ecken herum zwischen den Federn hindurch auftreten. Um dies zu vermeiden, werden die Federn entweder so ausgebildet, daß die an der Membran befestigte Längsseite kleiner ist als die am Gehäuse befestigte Längsseite, oder aber, daß bei gleichen Federlängsseiten ein zusätzliches Häutchen aus Metall, Seide, Gummi

o. dgl. den akustischen Kurzschluß verhindert. Bei der Anordnung der Feder mit verschieden langen Längsseiten ist es zweckmäßig, benachbarte Federn mit voneinander abweichenden Krümmungsradien zu versehen, damit bei der Bewegung der Membran die eine Feder sich etwas unter die andere schieben kann, da sonst ein Berühren an einander benachbarten Teilen der Federn auftreten würde, so daß die Membranbewegung gestört ist oder gar eine Beschädigung der Feder eintritt. Wie bereits erwähnt, wird eine einwandfreie Wiedergabe gewährleistet, wenn die Gesamtmasse der Membran zusammen mit der Elastizität der Randhalterfedern eine Eigenschwingung (Grundschwingung) besitzt, die unter oder an der unteren Grenze des Hörbereiches liegt. Hierbei ist es zweckmäßig, die erste Eigenschwingung der an beiden· Rändern festgehalten gedachten Blattfedern derart zu wählen, daß sie mindestens ein so hohes Vielfaches der Grundschwingung beträgt, wie es der Wurzel aus dem reziproken Wert der Dämpfungskonstante der Feder entspricht. Um die Dämpfungskonstante der Feder zu vergrößern, können erfindungsgemäß noch besondere Mittel aufgewandt werden, wie Überziehen mit einer stark viscosen Lackschicht u. dgl. Ferner können ohne Dämpfungserhöhung die Eigenschwingungen der Randfedern erfindungsgemäß dadurch unschädlich gemacht werden, daß den einzelnen Teilen der Randfedern verschiedene Dimensionen, Massen oder Elastizitäten gegeben werden. Die Membran selbst ist möglichst steif auszuführen, so daß ihre erste, durch den Antrieb und die Verteilung · der Reaktionskräfte angeregte Eigenschwingung an der oberen Grenze oder oberhalb des Hörbereiches liegt, so daß sie im gesamten Hörgebiet als starrer Körper schwingt.

Die Abbildungen veranschaulichen Ausführungsformen des Erfindungsgegenstandes, und zwar zeigen Abb. 1 und 2 die Halterung einer ebenen viereckigen Membran, Abb. 3 und 4 die Halterung einer Formenmembran (beispielsweise einer Konusmembran) mit geradlinig begrenzten Berandungsteilen.

Die Membran 1 ist mit dem im Gehäuse angeordneten Einspannteil 2 durch die als halbzylindrische Federn ausgebildeten Federn 3 verbunden. Der Antrieb der Membran erfolgt durch die Bewegung des mit den Sprechströmen durchflossenen Leiters 4 in dem Luftspalt 5 des Topfmagneten 6. In diesem Falle wird die mit der Membran verbundene Seite der Feder 3 senkrecht zur Federbasis, also in Richtung der Tangente an der Einspannstelle, verschoben. Die Federn 3 haben etwas verschiedene Krümmungsradien, damit sie sich an den Ecken 7 überlappen bzw. ineinanderschieben können, ohne die Membranbewegung zu stören.

In der Ausführung nach Abb. 3 werden die Federn 8 in Richtung des Radius an der Einspannstelle bewegt. Der Grundkreis des Kegels 9 ist mit geradlinigen Berandüngsstücken besetzt, an die sich die Federn anschließen. Der Antrieb erfolgt durch das Tauchankersystem 10, das große Amplituden zuläßt. Die zusammenstoßenden Federn sind durch dünne Häiutchen 11 aus Metallfolie, Gummi, Seide o. dgl. miteinander verbunden, um eine akustische Trennung der Vorderseite der Konusmembran von der Hinterseite zu ermöglichen.

Bei Konusmembranen von sehr großem Basisradius, die in eine Schallwand eingebaut sind, kann erfindungsgemäß die Unterteilung in geradlinige Randfederstücke wegfallen und die Feder in Form eines schwach gebogenen Halbringes der Biegung des Membranrandes in ganzer Ausdehnung folgen. Endlich kann es unter Umständen zweckmäßig sein, nur zwei einander gegenüberliegende geradlinige oder schwach gebogene Randteile der Membran mit den durch die Erfindung vorgeschlagenen Federn zu haltern. Diese Federn, die den wesentlichsten Teil der Gesamtfederung der Membran übernehmen, können dann stärker ausgebildet sein. Der übrige Teil des Randes wird in diesen Fällen durch Anordnungen ohne erhebliche elastische Rückwirkung akustisch abgedichtet, beispielsweise da-

durch, daß Oberflächenteile der Membran als Flächen senkrecht zu ihrer Bewegungsrichtung ausgebildet sind und zusammen mit ebensolchen Rahmenflächen des die Membran haltenden Rahmens einen engen und tiefen Schacht bilden, der das Herumfluten der Luft durch Massenhemmung und Dämpfung verhindert.

Claims (9)

Patentansprüche:

1. Halterung für als Kolben schwingende Membranen akustischer Geräte, die durch eine oder mehrere der Berandung der Membran folgende gebogene Federn gebildet wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Federn (3, 8), die die Form langgestreckter zylindrischer Teile mit ganz oder nahezu halbkreisförmigem Querschnitt haben, mit ihren freien Längs-

ao kanten einerseits an dem Rand der Membran, andererseits an dem Gehäuserand befestigt sind.

2. Halterung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine derartige Anordnung der zylindrischen Federn, daß bei der Wechselbewegung der Membran die auf die Federn wirkende Kraft tangential am Federrand angreift (Abb. 2).

3. Halterung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine derartige Anordnung der zylindrischen Federn, daß bei der Wechselbewegung der Membran die auf die Federn wirkende Kraft in Richtung normal auf die Tangentenebene am Federrand angreift (Abb. 3).

4. Halterung nach Anspruch 1 unter Verwendung geradliniger langgestreckter Federn, dadurch gekennzeichnet, daß bei Membranen, deren der Einspannung dienende Teile von einer Geraden abweichen, diese mit ebenen geradlinigen Randbegrenzungsstücken versehen sind, an denen die Haltefedern befestigt sind.

5. Halterung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine derartige Bemessung, daß die Grundschwingung der an beiden Rändern festgehalten gedachten Blattfedern mindestens ein so hohes Vielfaches der Grundschwingung des Systems beträgt, wie es der Wurzel aus dem reziproken Wert der Dämpfungskonstanten der Feder entspricht.

6. Halterung nach Anspruch 1 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Vergrößerung der Dämpfungskonstanten die Federn mit einer stark viscosen Lackschicht o. dgl. überzogen sind.

7. Halterung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Vermeidung einer ausgesprochenen Eigenschwingung einzelne Teile der Federn in sich hinsichtlich der die Eigenschwingung bestimmenden Faktoren (Masse, Breite, Elastizität usw.) voneinander verschieden gewählt sind.

8. Halterung nach Anspruch i, dadurch 6g gekennzeichnet, daß einander benachbarte Federn mit verschiedenen Krümmungshalbmessern ausgeführt sind.

9. Halterung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Häutchen aus Gummi, Seide o. dgl. an den Stoßstellen der einzelnen Federn angeordnet sind, um das Herumströmen der Luft zwischen Membran und Berandung an den etwa nicht durch die Blattfedern abgeschlossenen Randteilen der Membran zu verhindern.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen