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Die vorliegende Erfindung bezieht
sich auf einen Membranwandler nach dem Oberbegriff des Anspruchs
1.
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Typischerweise gibt es hauptsächlich zwei Arten
von Lautsprechern. Die eine Art umfasst eine Ringspule in einem
quer verlaufenden, magnetischen Feld, wo die Spule mit einer Membran,
die normalerweise konisch geformt ist, verbunden ist. Strom, der
durch die Spule fließt,
bewirkt eine die Membran bewegende Kraft. Die zweite Art umfasst eine
ebene Membran auf deren ebenen Oberfläche Leiter angebracht sind.
Eine magnetische Anordnung hinter oder an den Seiten der Membran
führt zu
einer Verlagerung der Membran, wenn Strom durch die Leiter fließt.
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Es ist bekannt, dass die zweite Art
der Lautsprecher teurer herzustellen ist als die erste Art, und der
Wirkungsgrad ist geringer. Jedoch ist die Tonqualität viel besser
bei der zweiten An, da diese nicht im gleichen Maße wie die
erste Art unter Verzerrungen der Membran leidet.
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Ein Beispiel eines Lautsprechers
mit einer ebenen Membran ist im
US
5 195 143 beschrieben. In Bezug auf eine Zeichnung in dieser
Referenz, die in der
1a reproduziert
ist, ist eine Bassmembran
100 vor einer Anordnung von Magneten
102 angebracht,
wo die magnetischen Feldlinien
104 sich zwischen entsprechenden
Nordpolen, N, und Südpolen, S,
fortpflanzen. Für
eine gute Tonqualität
muss die Membran
100 sich senkrecht zur Ebene der Membran
bewegen, was Magnetfeldlinien
104 voraussetzt, die parallel
zur Ebene und senkrecht zu den Leitern auf der Membran verlaufen.
Wie aus der
1a erkennbar
ist, ist jedoch ein großer
Anteil der angedeuteten Feldlinien
104 senkrecht und nicht
parallel zur Membran
100, was eine geringe Leistungsfähigkeit des
Lautsprechers und Verzerrungen bei höheren Strömen mit sich führt.
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Unterdessen haben weitere Untersuchungen dieses
Problems gezeigt, dass die magnetischen Feldlinien 104' sich nicht
wie in 1a dargestellt fortpflanzen,
sondern sich eher wie in 1b dargestellt
fortpflanzen, welches den geringen Wirkungsgrad dieser Art Lautsprecher
erklärt,
da die Mehrzahl der magnetischen Feldlinien sich senkrecht zur Membranebene
fortpflanzen, was wiederum ungünstig
ist.
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Wie in 2a dargestellt
ist es nach Stand der Technik möglich
Magneten 102 so anzuordnen, dass die magnetischen Feldlinien
mehr parallel zur Membran 100 verlaufen, zum Beispiel indem
die Membran 100 zwischen einem Nord- und einen Südpol so
angebracht wird, dass die Membran senkrecht zur Oberfläche der
Polen verläuft.
Diese Anordnung ist jedoch nur angemessen für kleine Membranen auf Grund
des notwendig schmalen Zwischenraumes zwischen den Polen. Darum
wird dieses nur für
Lautsprecher in Hochtonbereich benutzt und nicht für Basseinheiten.
In Bezug auf so eine Anordnung, wie in 2a dargestellt, wird allgemein angenommen, dass
die Feldlinien 104 sich vom linken Nordpol der Anordnung
zum rechten Südpol
fortpflanzen.
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Jedoch haben Untersuchungen dieser
Anordnung gezeigt, dass die Feldlinien sich fortpflanzen wie es
in der 2b angedeutet
ist, welches die Unzulänglichkeit
dieser Anordnung veranschaulicht. Das Feld ist sehr schwach in der
Mitte der Anordnung, und die Plazierung der Membran außerhalb des
Zentrums wie in 2b dargestellt
hat zur Folge, dass die Feldlinien nicht parallel mit der Membran verlaufen.
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Eine Reihe von Versuchen sind durchgeführt worden
um diese Art Lautsprecher zu verbessern, wobei die hauptsächliche
Mühe in
die Formgebung des magnetischen Feldes in dem Bereich, in dem die Membran
bewegt wird, gesteckt wurde. Aus dem Patent
US 4 491 698 ist ein Membranwandler
bekannt, der eine ebene Membran besitzt mit Lamellen, die sich senkrecht
von der Membran in eine magnetische Anordnung hinter der Membran
erstrecken. Jedoch gibt es bisher keine geeignete Lösung, obwohl
dieses Prinzip für
Lautsprecher seit Langen existiert.
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Von dem Patent
US 4 354 066 ist ein nicht-ebener,
Starrmembranwandler bekannt mit einer Spule zur Wechselwirkung mit
einem magnetischen Feld, wo die Unterstützung der Spule sich außerhalb
der Membran befindet. Von
US
5 297 214 ist ein Lautspre cher bekannt mit einer ebenen
Membran, auf der sich dünne
Leiter befinden. Das magnetische Feld wird durch eine Anordnung
permanenter Magnete auf der einen Seite der Membran bewirkt.
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Aus Patent
US 5 627 903 ist ein elektromagnetischer
Wandler bekannt mit einer Membran, die Leiter und permanente Magneten
umfasst.
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Es ist Aufgabe der Erfindung ein
Membranwandler der oben genannten zweiten Art hervorzubringen mit
einem höheren
Leistungsgrad als bisher bekannte Systeme. Es ist eine weitere Aufgabe
der Erfindung einem Wandler mit hohen Wirkungsgrad hervorzubringen,
der auch billig und einfach herzustellen ist.
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Diese Aufgabe wird durch einen Membranwandler
der eingangs genannten Art erfindungsgemäß gelöst laut den Merkmalen des Anspruchs
1.
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Die Benutzung ferromagnetischen Materials wie
Weicheisen in Verbindung mit Lautsprechern der zweiten Art ist eine
sehr simple Lösung,
weil die Formgebung des magnetischen Feldes mit ferromagnetischen
Material viel einfacher ist als mit Magneten. Magnetische Feldlinien ändern sich
in Bezug auf ihre Richtung beim Durchgang durch Weicheisen, weil
der magnetische Widerstand in Weicheisen viel niedriger ist als
in Luft.
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Im folgenden wird Weicheisen als
Synonym für
magnetisch leitende Materialien benutzt. Allerdings kann das magnetisch
leitende Material auch anderes Material sein als Weicheisen mit
analogen Eigenschaften und kein permanentes Magnet sein. Mögliche andere
Materiale sind Eisen-Silizium, Permalloy oder Eisenoxide.
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Durch weitere Untersuchungen der
Erfindung hat es sich erwiesen, dass es möglich ist, ein annährend konstantes,
magnetisches Feld in dem ebenen Gebiet der Membran zu erreichen.
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Die Formung des magnetischen Feldes
kann durch Anwendung von Weicheisenplatten erreicht werden, zwischen
denen permanenten Magneten vorhanden sind. Eine Kante jeder dieser
Platten macht einen magnetischen Pol in dieser Konfiguration aus.
Zum Beispiel kann eine Anordnung drei Pole umfassen, nämlich zwei äußere Pole
gleicher Polarität
und ein innerer Pol anderer Polarität.
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Die Intensität des magnetischen Feldes hängt von
der Feldstärke
der Magneten, die zwischen den Weicheisenplatten platziert sind,
ab. Aber da das Leiten der magnetischen Feldlinien von den Magneten
durch die Weicheisenplatten und zur Membran effizient ist, ermöglicht die
Erfindung das Erreichen hoher Feldstärken in dem ebenen Bereich selbst
bei relativ schwachen und billigen Magneten. Das hat als Konsequenz,
dass diese Art Lautsprecher viel billiger als bisher produziert
werden kann und zu einem Preis, der mit dem Preis für Lautsprecher
mit Ringspulen konkurrieren kann. Daher werden eine große Anzahl
von Leuten, die sich bisher diese Art Lautsprecher nicht leisten
konnten, die Möglichkeit
haben, eine klarere und mehr differenzierte Tonqualität von Musik
in ihren Heimen genießen
zu können.
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Überraschenderweise
hat es sich herausgestellt, wie intensive Untersuchungen gezeigt
haben, dass es ein großer
Vorteil ist, wenn die inneren Pole, die zwischen den äußeren Polen
verhanden sind, in Paare angeordnet sind mit einem Abstand zwischen den
zwei Platten, die dieses Paar ausmachen. Im Vergleich mit den inneren
Einzelpolen ist das magnetische Feld in der Ebene vor den Doppelpolen
weitaus mehr konstant in Stärke
und Richtung.
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Dadurch dass das magnetische Feld
in dem ebenen Bereich ungefähr
konstant gestaltet werden kann, können die Leiter auf der Membran
mit Leichtigkeit so orientiert und verbunden werden dass, wenn Strom
durch diese Leiter fließt,
die elektromagnetischen Kräfte,
die auf die Leiter in dem ebenen Bereich wirken, annährend in
der gleichen Richtung senkrecht zu der Ebene der Membran sind. Dieses
ist der ideelle Fall, aber wie die einleitende Diskussion zeigte,
ist dieses in Systemen nach Stand der Technik bei weitem noch nicht
erreicht worden.
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Selbst höhere Feldstärken können erreicht werden, wenn
es dem Feld erlaubt ist ein wenig zu variieren. Kleine Variationen
der Feldstärke
können reguliert
werden durch Plazierung der Leiter mit variierenden Abständen und
Richtungen auf der Membran.
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Um eine bessere Leistung eines erfindungsgemäßen Wandlers
zu erreichen, kann die Membran in einem Wandler mit einer ferromagnetisch
magnetisierbaren Beschichtung versehen sein. Diese Beschichtung
kann Teil des Membranmaterials sein oder als eine Beschichtung aufgetragen
werden.
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Nach Stand der Technik werden ferromagnetisch
magnetisierbare Materialien wie Eisenoxyd, Permalloy oder Weicheisen
in Ringspulen von Lautsprechern der ersten Art benutzt wie zum Beispiel
in der britischen Patentanmeldung GB 2 137 047 oder in der europäischen Patentanmeldung
EP 587 910 beschrieben. Der
Effekt in diesen Schriften war Dämpfung
und Erhöhung
des Wirkungsgrades. Für die
oben genannte zweite Art Lautsprecher hat man noch nicht erkannt,
dass eine Verbesserung erreicht werden kann.
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Allerdings leitet, wie auch bei den
Weicheisenplatten, eine magnetisch leitende Beschichtung in oder
auf der Membran, zum Beispiel eine Beschichtung aus Weicheisen,
die Feldlinien der Membran entlang. Das Resultat ist eine erhöhte Anzahl
Feldlinien parallel zur Membran, welches den Wirkungsgrad des Wandlers
erhöht.
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Eine Weicheisenbeschichtung der Membran sollte
sehr dünn
sein und ist daher nicht in Konflikt mit dem Ziel, dass die Membran
des Wandlers eine sehr geringe Masse haben sollte. Nach einer Beschleunigung
durch Strom in den Leitern in dem magnetischen Feld ist eine Membran
mit einer höheren
Masse schwieriger wieder zu bremsen als eine Membran mit einer geringeren
Masse. Dieses könnte
ein Überschwingen
der Membran bei Spitzströmen
bewirken, was Tonverzerrungen mit sich fuhrt. Ein Dämpfen der Membran
kann mit einem ferromagnetischen Material auf der Membran erreicht
werden. Während
die Membran sich in dem magnetischen Feld bewegt, verändert sich
das magnetische Feld und bewirkt eine andere Magnetisierung der
Beschichtung. Die Änderung
der Magnetisierung hat den Effekt einer Dämpfung der Bewegung der Membran
insbesondere bei weiten Ausschlägen.
Die Dämpfungsfähigkeit ist
abhängig
von der magnetischen Hysterese des ferromagnetischen Materials.
Weicheisen hat eine sehr niedrige Hysterese während Permalloy eine hohe Hysterese
aufweist. Welches Material das Beste ist, hängt von der aktuellen Konstruktion
des Membranwandlers ab, insbesondere davon, ob es für die Funktion
bei hohen oder niedrigen Frequenzen konstruiert ist. Als Faustregel
sei jedoch hier zu bemerken, dass die benötigte Dämpfung desto höher sein muss
je niedriger die Arbeitsfrequenz des Wandlers ist.
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Die Erfindung wird näher beschrieben
mit Hinweis auf die Zeichnungen, wo
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1 das
Prinzip des ebenen Wandlers nach Stand der Technik illustriert,
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2 das
Prinzip eines unterschiedlichen Wandlers nach Stand der Technik
illustriert,
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3 das
Prinzip des erfindungsgemäßen Membranwandlers
illustriert,
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4 eine
schematische Ansicht des erfindungsgemäßen Membranwandlers ist.
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3 zeigt
einen erfindungsgemäßen Membranwandler.
Zwei Magneten 102 mit entsprechenden Nordpolen, N, und
Südpolen,
S, sind in magnetischer Wechselwirkung mit Weicheisenplatten 106 angeordnet.
Jeder Magnet 102 kann in sich aus einer Anzahl kleinere
Magneten, die in Kombination wirken, bestehen. Die gezeigte Anordnung
umfasst drei magnetische Pole, zwei äußere Pole 106 und 106' gleicher Polarität, N, und
ein innerer Pol 107 gegensätzlicher Polarität, S.
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Die Konstruktion wie in 3 gezeigt hat mehrere Vorteile.
Zum ersten sind die Magnete hinter der Membran angeordnet und nicht
neben der Membran. Darum kann sie schmaler gebaut werden und in einen
mehr ästhetischen
Design als bisher. Die notwendige Masse der Magneten 102 ist
hinter der Membran 100 verstaut. Zweitens können, um
eine hohe Feldstärke
zu erzielen, relativ große
Magneten 102 oder viele Magneten in Kombination benutzt
werden. Daher ist es möglich,
hohe Feldstärken
zu erzielen selbst bei Magneten 102, die geringe Produktionskosten
haben, was geringe Produktionskosten des Wandlers selbst mit sich
führt.
Drittens ist das Formen des Feldes in dem ebenen Bereich der Membran
relativ einfach. Um das Feld bei der Membran zu formen, müssen nur
die Platten 106, 106', 107 geformt werden,
was bei weitem einfacher ist als die Formgebung eventueller spröder Magneten 102. Viertens
ist der Zusammenbau der magnetischen Anordnung einfach und schnell,
sobald die Platten 106, 106', 107 geformt sind.
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4a zeigt
einen erfindungsgemäßen Wandler
in einer Detailzeichnung. Die Membran 100 ist mit Leitern 108,
die untereinander verbunden sind, versehen, zum Beispiel in einer
spiralförmigen
Anordnung, so wie es in der Figur angedeutet ist. Strom wird zu
den Leitern geführt
durch passende Verbindungen 110. Die Membran ist durch
einen Rahmen 114 aus Dämpfungsmaterial,
zum Beispiel Polymerschaum, unterstützt. Der strukturelle Stützrahmen 116 aus
einem starren Material gewährleistet
eine ordnungsgemäße Positionierung
der Magneten 102 und der Weicheisenplatten 106, 106', 107 im
Verhältnis
zur Membran 100.
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Eine Zeichnung der Anordnung ist
in 4b bis 4e gezeigt, wobei 4b eine Vorderansicht ist, 4c eine Seitenansicht ist, 4d eine rückwärtige Ansicht
ist und 4e eine Schnittzeichnung
A-A wie in 4b angedeutet,
ist. Erkenntlich ist, dass nur die in Längsrichtung angebrachten parallelen
Leiter 108 innerhalb des ebenen Bereichs 118 sind,
wo das magnetische Feld eine hohe Stärke hat.
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Eine andere Konstruktion eines erfindungsgemäßen Wandlers
wird dadurch erreicht, dass die Membran nur an ihren Enden 112, 112' befestigt ist, wobei
die Kunststoffunterstützung 114 ausgelassen werden
kann.
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Wie bereits beschrieben und in 5a veranschaulicht hat es
sich gezeigt, dass es von großem Vorteil
ist, wenn die inneren Pole zwischen den äußeren Polen in Paaren 107, 107' angeordnet
sind mit einem Abstand 103 zwischen den zwei Platten 107, 107', die dieses
Paar ausmachen. Im Vergleich zu inneren Einzelnpolen ist das magnetischen
Feld in der Ebene vor den Doppelpolen 107, 107' bei weitem mehr
konstant in Stärke
und Richtung, welches experimentell bestätigt worden ist, aber welches
bis jetzt noch nicht vollständig
verstanden worden ist.
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Die magnetischen Feldlinien 104 sind
in Wirklichkeit weitaus mehr parallel mit der Membran 100 als
es in 5a gezeichnet
ist, da die Feldlinien in der Zeichnung nur der Veranschaulichung
dienen.
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In Analogie zu der Anordnung in 5a ist eine andere Anordnung
mit einer Mehrzahl von Paaren von Polen in 5b gezeigt.
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Die Membran ist mit einer Anzahl
Leitern 108 versehen. Vor den inneren Polen 107, 107' haben Leiter 108, 108' annähernd den
gleichen Abstand 103 wie die Platten 107, 107'. Für einen
Hochtonlautsprecher ist dieser Abstand zwischen 0,1 und 3 mm, vorzugsweise
zwischen 0,3 und 1,5 mm und weiter vorzugsweise zwischen 0,4 und
0,6 mm.