DE60004678T2

DE60004678T2 - Biegewellen-plattenlautsprecher und verfahren zum betreiben desselben

Info

Publication number: DE60004678T2
Application number: DE60004678T
Authority: DE
Inventors: Graham Woodbridge BANK
Original assignee: New Transducers Ltd
Current assignee: NVF Tech Ltd
Priority date: 1999-07-08
Filing date: 2000-07-06
Publication date: 2004-07-08
Anticipated expiration: 2020-07-07
Also published as: NZ515485A; EP1197120B1; DE60004678D1; CN1358400A; JP2003504981A; AU5691900A; GB9916091D0; WO2001005189A2; IL146770A0; EP1197120A2; TW490987B; WO2001005189A3

Description

Gebiet der Erfindung
Diese Endung betrifft einen Biegewellen-Paneellautsprecher und ein Verfahren zum Antreiben eines solchen Lautsprechers.
Zugehörige Technik
Die W097/09842 des Anmelders der vorliegenden Anmeldung, New Transducers Ltd., offenbart Biegewellen-Lautsprecher wie den in 1 dargestellten. Im Allgemeinen umfasst ein Biegewellen-Lautsprecher ein Paneel 1 mit mindestens einem Erreger 3, der an einem oder mehr diskreten Stellen oder kleinen Zonen mit dem Paneel 1 gekoppelt ist. Die Erregerposition oder -positionen ist bzw. sind so gewählt, dass sie verteilte Resonanzbiegewellenmoden antreiben, damit das Paneel zum Abstrahlen von Schall veranlasst wird.
Anordnungen aus dem Stand der Technik mit diskreten Erregern haben den Nachteil, dass es bei einigen Anwendungen schwierig sein kann, den Erreger an den gewünschten Vorzugsstellen zu platzieren, wie in der W097/09842 gelehrt. Beispielsweise muss der Lautsprecher vielleicht in bestehende Ausrüstung eingebaut werden, und die erforderliche Anordnung des Wandlers ist vielleicht nicht möglich, wenn ein anderes Bauteil im Weg steht. Alternativ kann es in einem transparenten Lautsprecher, bei dem ein transparentes Paneel benutzt ist, schwierig sein, einen Erreger an einer bevorzugten Stelle zu positionieren, ohne eine sichtbare Störung zu schaffen, da es sehr schwierig ist, herkömmliche Erreger transparent zu machen.
Folglich wäre es vorteilhaft, die Vorteile einer Platzierung eines Erregers an einer bevorzugten Stelle zu erlangen, ohne Erreger tatsächlich an diesen bevorzugten Stellen befestigen zu müssen.
Die ebenfalls im Namen des Anmelders der vorliegenden Anmeldung, allerdings nach dem Prioritätstag der vorliegenden Anmeldung veröffentlichte W000/02417 erwähnt mehrere Anordnungen, die ein transparentes Lautsprecherpaneel und einen mit dem Paneel gekoppelten Erreger benutzen. Es wird vorgeschlagen, dass der Erreger ein piezoelektrisches oder Elektret-Material über dem Paneel aufweist, obwohl keine bestimmte Ausführungsform eine solche Anordnung offenbart.
Eine weitere frühere Anmeldung, die einen transparenten Flachpaneel-Lautsprecher beschreibt, ist die GB-A-2052919 von Hitachi Ltd. Diese Anmeldung beschreibt einen transparenten piezoelektrischen Lautsprecher mit einer piezoelektrischen Schicht auf einer Fläche. Wie in der GB-A-2052919 erklärt, besteht ein Problem in solchen Anordnungen darin, dass der Lautsprecher nur in einem schmalen Frequenzband betrieben werden kann. Obwohl in der GB-A-2052919 durch Wahl einer elliptischen Form des Lautsprecherpaneels eine gewisse Verbesserung erreicht ist, sind die Ergebnisse immer noch nicht beeindruckend – die besten vorgestellten Ergebnisse haben außerhalb von 1 kHz bis 3 kHz, einem sehr schmalen Band, eine geringe Schallleistung.
Die GB-A-2052919 lehrt, dass im Wesentlichen nur ein Mode angeregt wird, im Gegensatz zu den Anordnungen von W097/09842, bei denen mehrere Moden bei unterschiedlichen Frequenzen angeregt werden können. Für eine gute akustische Leistung über einen Frequenzbereich hinweg sollten bei Verwendung von Resonanzbiegewellenmoden die Erreger jedoch mehrere frequenzmäßig verteilte Resonanzmoden anregen.
Folglich besteht ein Bedarf an verbesserter Leistung, wenn solche Lautsprecher für irgendwelche Anwendungen außer den allereinfachsten nutzbar sein sollen.
Zusammenfassung der Erfindung
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung ist ein Biegewellen-Lautsprecher bereitgestellt mit einem Paneel, das Biegewellen unterstützen kann und entgegengesetzte Flächen hat, einem sich über einen großen Teil einer Fläche des Paneels erstreckenden und mit der Paneelfläche gekoppelten Wandler und mindestens einem die Bewegung des Paneels einschränkenden Einschränkungselement, das mit mindestens einer diskreten kleinen Zone des Paneels gekoppelt ist, so dass eine Aktivierung des Wandlermaterials eine Vielzahl Resonanzbiegewellenmoden des Paneels anregen kann.
Anstatt den Wandler an einer vorgegebenen Stelle zu platzieren, ist der Wandler über einen wesentlichen Teil der Paneelfläche ausgebreitet und das Paneel an einer oder mehreren Einschränkungsstellen eingeschränkt. Der große Teil der Paneelfläche kann mindestens 60%, vorzugsweise 75% oder sogar 90% der Paneelfläche betragen. Je größer der Teil ist, umso größer ist der Wandler, und umso größer ist die mögliche Ausgangsleistung. Die ist besonders nützlich, wenn das Wandlermaterial nur eine kleine Bewegung pro Eingangseinheit bewirkt, wie es bei piezoelektrischem Material häufig der Fall ist.
Der große Teil ist vorzugsweise die im Wesentlichen gesamte Fläche des Paneels, und jede kleine Zone kann im Vergleich zur Fläche des Paneels klein sein.
Jede kleine Zone kann nicht mehr als 10% der Fläche des Paneels, vorzugsweise nicht mehr als 1%, betragen. Ferner kann jede kleine Zone eine lineare Abmessung haben, die nicht größer als 20%, vorzugsweise nicht größer als 10% und noch bevorzugter nicht größer als 4% der Breite des Paneels ist. Eine zu große Einschränkung kann ein Paneel ergeben, das sehr schwer zu biegen und daher sehr schwer anzutreiben ist.
Das Paneel kann ein Paneel aus einem Material sein, das zur Unterstützung von Resonanzbiegewellen in einem vorgegebenen Betriebsfrequenzbereich besonders geeignet ist.
Wie oben erwähnt, sind die Anmelden der Meinung, dass ein die schlechten Ergebnisse gemäß der GB-A-2052919 verursachendes Problem darin besteht, dass der piezoelektrische Erreger keine gute Verteilung von Resonanzbiegewellenmoden anregte.
Beim erfindungsgemäßen Lautsprecher erlaubt die Bereitstellung eines örtlich begrenzten Einschränkungselements eine brauchbare oder gute Anregung einer Vielzahl Resonanzbiegewellenmoden durch einen Wandler, der sich über die Fläche eines Paneels erstreckt.
Der Wandler kann eine Schicht aus Wandlermaterial aufweisen, die sich über einen großen Teil einer Fläche des Paneels erstreckt und mit der Paneelfläche gekoppelt ist.
Ein Wandler kann an der gegenüberliegenden Fläche des Paneels in einer sogenannten "bimorphen" Konfiguration angebracht sein. Der weitere Wandler kann eine Schicht aus Wandlermaterial aufweisen, das sich über den großen Teil der dem ersten Wandler gegenüberliegenden Fläche des Paneels erstreckt.
Eine bimorphe Konfiguration bietet eine Reihe weiterer Vorteile. Zum Einen ist die Platte dann sandwichartig zwischen zwei Wandlerschichten angeordnet. Diese können so angeordnet sein, dass die obere Schicht schrumpft, während sich die untere ausdehnt, um auf die Platte eine echte Biegespannung auszuüben, statt nur eine li neare Spannung, die auf eine einzige Fläche ausgeübt wird und bei Anordnungen mit nur einer Schicht aus Wandlermaterial (als unimorph bekannt) auftritt.
Außerdem bilden das Paneel und der Wandler dann eine integrale Einheit, die für eine gute Verteilung der Resonanzbiegewellenmoden als Einheit optimiert werden kann.
Das Einschränkungselement kann eine an dem Paneel befestigte Masse sein, z.B. auf einer Fläche oder in das Paneel eingebettet.
Das Einschränkungselement kann auch ein starres Kopplungsstück sein, das mit dem Paneel über eine kleine Zone des Paneels gekoppelt ist, um die Bewegung dieser kleinen Zone deutlich zu behindern.
Die Einschränkungsstellen können so gewählt sein, dass die Resonanzbiegewellenmoden des eingeschränkten Paneels, besonders die am unteren Ende des Betriebsfrequenzbereichs, im Sinne eines gewünschten akustischen Ergebnisses vorteilhaft beabstandet sind. In der Tat können die Lage und Parameter des Einschränkungselements so gewählt werden, dass sie die akustische Leistung wesentlich optimieren.
Die Stellen der Einschränkungselemente können durch mathematische oder numerische Verfahren oder sogar durch ein systematisches Experiment bestimmt werden.
Die Einschränkungselemente können sich an geeigneten Stellen zum Befestigen eines herkömmlichen kleinen Erregers auf einem freien Paneel befinden. Anstatt ein freies Paneel an einer diskreten Stelle anzutreiben, wird das Panel über einen großen Teil seiner Fläche angetrieben und an der Stelle „festgeheftet", die für einen lokalen Wandler geeignet wäre. Daher ist der erfindungsgemäße Lautsprecher mit einem örtlich begrenzten Einschränkungselement anstatt eines örtlich begrenzten Wandlers eigentlich die Inversion eines herkömmlichen Lautsprechers mit verteilten Moden.
Bei Ausführungsformen können sich die Einschränkungselemente von den Rändern entfernt, d.h. mindestens 20% der Breite des Paneels von den Rändern entfernt, befinden. Mit Breite ist die Entfernung über das Paneel in einer zur Länge des Paneels allgemein orthogonalen Richtung gemeint. Die Einschränkungselemente können sich an asymmetrischen Stellen befinden. Hat das Paneel eine symmetrische Form, die eine oder mehrere Symmetrieachsen hat, können die Einschränkungselemente in ei nem Abstand von einer oder allen Symmetrieachsen angeordnet sein, z.B. in einem Abstand von mindestens 3% der Breite des Paneels, vorzugsweise mindestens 5%.
Eine solche Einschränkungsstelle ist nicht immer möglich. Entsprechend können sich die Einschränkungselemente an den Rändern des Paneels befinden oder wenigstens nicht weiter vom Rand entfernt sein als 20% der Quererstreckung des Paneels vom Rand. Dies ist besonders nützlich, wenn die mittlere Zone des Paneels transparent sein muss.
Die oder jede Lage aus Wandlermaterial kann sandwichartig zwischen einem Elektrodenpaar angeordnet sein, um eine Wandlerschicht zu bilden. Die Elektroden können auf jeder Seite einer Wandlerfolie abgelagert sein. Sie können transparent sein. Ein geeignetes transparentes Elektrodenmaterial ist Indiumzinnoxid.
Eine Wandlerfolie kann aufgeklebt sein, um eine oder beide Paneelflächen zu bedecken. Eine Elektrode des Elektrodenpaars kann den großen Teil einer Paneelfläche bedecken und das Wandlermaterial mechanisch mit dem Paneel koppeln.
Das Wandlermaterial kann ein solches sein, das bei Anlegen von Elektrizität seine Form ändert. Dementsprechend kann das Material ein piezoelektrisches Material sein, wie z.B. Blei-Lanthan-Zirkonit-Titanat (PLZT) oder Polyvinylidenfluorid (PVDF).
Bei Ausführungsformen können das Paneel und das piezoelektrische Material transparent sein. Dies ist in Verbindung mit transparenten Paneelen besonders nützlich.
Das Paneel kann aufgehängt oder anderweitig in einer solchen Weise gehalten sein, dass die Stützen einen möglichst geringen Einfluss auf die Resonanzmoden haben.
Alternativ kann das Paneel von den Einschränkungselementen abgestützt sein, oder das Paneel kann auf einem Rahmen gestützt sein, wie es bei Biegewellenpaneelen üblich ist. Im letzteren Fall können die Einschränkungselemente lediglich die Funktion des Unterdrückens einer Paneelbewegung an vorgegebenen Stellen haben.
Gemäß einem anderen Aspekt umfasst ein Verfahren zur Herstellung eines Biegewellenlautsprechers, der ein Paneel mit entgegengesetzten Flächen hat, das Bestimmen von Form, Größe und Eigenschaften eines Paneels, das Auswählen der Eigenschaften einer Schicht Wandlermaterials, die auf einem ausgewählten großen Teil einer Fläche des Paneels anzubringen ist, das Auswählen des Ortes mindestens einer kleinen Zone und der Parameter des mindestens einen auf dem Paneel an der mindestens einen kleinen Zone anzubringenden Einschränkungselements derart, dass das Paneel eine nutzbare akustische Wirkung liefert, und das Herstellen eines Lautsprechers aus dem bestimmten Paneel durch Aufbringen des gewählten Wandlermaterials auf dem großen Teil einer Fläche des Paneels und Aufbringen der gewählten Paneel-Einschränkungselemente an der gewählten kleinen Zone unter Anwendung der gewählten Einschränkungselemente-Parameter.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Zum besseren Verständnis der Erfindung und rein beispielhaft werden nunmehr bestimmte Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben, in denen:
1 einen herkömmlichen Biegewellen-Paneellautsprecher zeigt,
2 eine schematische Draufsicht eines erfindungsgemäßen Lautsprechers zeigt,
3 eine Seitenansicht eines Lautsprechers gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zeigt,
4 eine Draufsicht eines Lautsprechers gemäß einer anderen Ausführungsform der Endung zeigt,
5 ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Lautsprechers zeigt,
6 eine Seitenansicht eines Paneels einer anderen Ausführungsform der Erfindung zeigt,
7 die Schallleistung eines Lautsprechers gemäß der Ausführungsform von 6 zeigt, und
8 die Anschlussimpedanz eines Lautsprechers gemäß der Ausführungsform der 6 zeigt.
Detaillierte Beschreibung
Allgemein weist ein erfindungsgemäßer Lautsprecher wie in 2 gezeigt ein Paneel 1 mit entgegengesetzten oberen 23 und unteren 25 Flächen auf. Das Paneel braucht nicht eben zu sein, sondern es kann mit einer für eine bestimmte Anwendung erforderlichen Form hergestellt werden.
Eine Wandlerschicht 3 ist auf einem wesentlichen Teil einer Paneelfläche vorhanden. Signalverbinder 9 stellen den Lautsprechereingang bereit, im Allgemeinen in Form eines elektrischen Signals.
Mindestens ein Einschränkungselement, das eine Klemme oder Masse sein kann, ist an einer der gezeigten Positionen C1-C6 angebracht. Um das Paneel mit Masse zu belasten, ist eine Masse am Paneel befestigt oder mit ihm gekoppelt; zum Festklemmen des Paneels ist das Paneel lokal mit einer starren Stütze gekoppelt.
Nunmehr wird die Wahl der Lage des Einschränkungselements kurz besprochen. Der erfindungsgemäße Ansatz ist in mancherlei Hinsicht die Inversion eines herkömmlichen Verfahrens mit verteilten Moden, wie es in der WO97/09842 beschrieben ist.
Anstatt ein Paneel an einem gewählten Antriebspunkt anzutreiben, wird das Paneel über einen wesentlichen Teil seiner Fläche angetrieben und an einer oder mehr diskreten Stellen festgeheftet.
Ein guter Ausgangspunkt für eine Einschränkungsstelle sind die bevorzugten in der WO97/09842 gelehrten Antriebsstellen. Folglich sind geeignete Einschränkungsstellen im Allgemeinen von einer wesentlichen Anzahl von Knotenlinien niedrigerer Frequenz beabstandet und diese sind normalerweise von den Rändern und Symmetrieachsen beabstandet.
Stellen wie z.B. C1 und C4, an denen das Einschränkungselement in einem Abstand von mindestens 10% der Paneelbreite von den Paneelkanten entfernt angeordnet ist, können daher geeignet sein. Die gewählte Stelle kann auch mindestens 5% der Paneelbreite von Achsen, die parallel zu den Kanten des Rechtecks und durch den Mittelpunkt des Paneels verlaufen, entfernt sein.
Ist eine Einschränkungsstelle im Innern des Paneels nicht praktikabel, können Randeinschränkungsstellen, wie z.B. C2, C3, C5 oder C6, benutzt werden.
Zur Auslegung eines Paneels kann das folgende im Flussdiagramm von 5 dargestellte Verfahren angewandt werden.
Zuerst werden die erforderliche Form, Größe und Eigenschaften eines Paneels bestimmt (Schritt 51); diese werden im Allgemeinen durch andere Faktoren, wie z.B. die Anwendung, in die der Lautsprecher eingefügt werden soll, festgelegt.
Dann erfolgt eine geeignete Auswahl des Wandlermaterials (Schritt 53). Sodann wird die Fläche ausgewählt, auf der das Wandlermaterial aufzubringen ist; diese kann für eine maximale akustische Leistung so groß wie möglich sein.
Es ist unwahrscheinlich, dass das derart konzipierte Paneel ein annehmbares akustisches Ergebnis liefert. Um dieses Problem zu lösen, werden die Lage von mindestens einer kleinen Zone und die Parameter von mindestens einem an dem Paneel anzubringenden Einschränkungselement ausgewählt (Schritt 55). Dieser Schritt kann durch Berechnung wie z.B. mittels der Finite-Elemente-Analyse oder durch ein systematisches Experiment durchgeführt werden.
Die Einschränkungsparameter und -stellen können so ausgewählt werden, dass sie eine brauchbare gleichmäßige akustische Leistung liefern. Eine gute Leistungszahl zum Optimieren ist in der WO99/41939 der New Transducers Ltd. aufgeführt.
Bei Ausführungsformen der Erfindung, bei denen das Paneel transparent sein muss, ist die Bereitstellung einer Einschränkungselementmasse oder -klemme im Inneren des Paneels vielleicht nicht praktikabel, weil die Einschränkungselementmasse dann die Transparenz des Lautsprechers als Ganzes stören kann. In solchen Fällen kann es vorgezogen werden, das Paneel an einer oder mehreren diskreten Stellen um den Rand des Paneels festzuklemmen. Geeignete Stellen sind die in der WO 99/37121 der New Transducers Ltd. als geeignete Randantriebsstellen aufgeführten und die in der WO 99/52324 der New Transducers Ltd. als geeignete Randklemmstellen gelehrten. Stellen an ungefähr der 0,38- bis 0,50-fachen Entfernung entlang der Länge einer Kante können besonders geeignet sein.
Einklemmen ist als Mittel zur Bereitstellung der Einschränkung an Einschränkungsstellen an oder nahe an dem Rand besonders geeignet. Näher zur Mitte des Paneels kann es praktischer sein, die Einschränkung durch Hinzufügen von Masse bereitzustellen. Diese Wahlmöglichkeiten können jedoch abgewandelt werden, so dass sie zu jeder speziellen Ausführung passen.
Wenn geeignete Einschränkungsstellen und -arten ausgewählt worden sind, wird ein Lautsprecher hergestellt (Schritt 57), der ein Paneel wie bestimmt aufweist, und auf dessen großem Teil einer Fläche das ausgewählte Wandlermaterial angebracht wird. Die ausgewählten Einschränkungselemente werden unter Verwendung der ausgewählten Einschränkungsparameter an der ausgewählten kleinen Zone am Paneel angebracht.
Nur beispielhaft wird nunmehr eine bestimmte Ausführungsform der Erfindung unter Bezugnahme auf 3 beschrieben. Ein Paneel 1 mit entgegengesetzten oberen und unteren Flächen (19, 21) hat eine auf der mittleren Zone der oberen Fläche 19 des Paneels 1 aufgebrachte piezoelektrische Wandlerschicht 3 aus Blei-Lanthan-Zirkonit-Titanat (PLZT). Die piezoelektrische Schicht 3 ist sandwichartig zwischen mit elektrischen Eingangsdrähten 9 gekoppelten oberen und unteren Elektroden 5, 7 angeordnet. Die untere Elektrode 5 bedeckt die mittlere Zone des Paneels, einen großen Teil der Paneelfläche, und koppelt die Wandlerschicht 3 mit dem Paneel 1.
Das Paneel ist in einem Rahmen 13 auf einer weichen elastischen Kopplung 17, die mit dem äußeren Teil der unteren Paneelfläche 21 gekoppelt ist, befestigt.
Um das Paneel am Ort C4 (2) mit Masse zu belasten, ist an dieser Stelle eine Masse 11 am Paneel befestigt. Zum Festklemmen des Paneels am Ort C6 (2) ist das Paneel an dieser Stelle durch ein starres Kopplungsstück 15 anstelle der ansonsten benutzten elastischen Kopplung 17 starr mit dem Rahmen 13 gekoppelt.
Eine andere bevorzugte Ausführungsform eines Lautsprechers wird nunmehr unter Bezugnahme auf 4 beschrieben. Ein leichter Multimedialautsprecher hat ein Paneel 1 mit einem Gewicht von 10 g und einer rechteckigen Form mit einem Seitenverhältnis, d.h. einem Verhältnis von Länge zu Breite, von 1,3:1. Eine Einschränkungselementmasse 11 von 10 g ist auf der Rückseite des Paneels an einer Stelle entsprechend 4/9 der Paneellänge von einem Ende entfernt und 3/7 der Paneelbreite von einer Seite entfernt, d.h. von Achsen 23 beabstandet, befestigt. Im Wesentlichen ist die gesamte vordere Fläche des Paneels mit einer piezoelektrischen Elektroden-Sandwich-Struktur 3, 5, 7 bedeckt wie oben beschrieben. Das Elektrodensandwich ist seitlich von den Paneelkanten beabstandet. Das Paneel ist auf einer Schaumstoffabstützung 15 gehalten.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform wird nunmehr unter Bezugnahme auf die 6 bis 8 beschrieben. Bei dieser Ausführungsform sind zwei piezoelektrische Schichten, eine auf jeder Seite des Paneels, angebracht. Das Paneel ist daher ein Bimorph.
Ein rechteckiges Paneel 1 wurde aus 1 mm dickem Rohacell mit 150 mm Länge und 135 mm Breite hergestellt. Zwei Stück handelsüblicher Polyvinyliden- (PVDF)-Folie mit vom Hersteller bereitgestellten Elektroden wurden jeweils eine auf jeder Seite des Paneels am Paneel befestigt, so dass das Paneel sandwichartig angeordnet war. Die verwendete Folie wird von der Pennwalt Corporation, Norristown, PA, USA, hergestellt und unter dem Namen "Kynar Piezo Film sample type S028K" vermarktet. Die Folie weist eine Polyvinylidenfluoridschicht auf, die sandwichartig zwischen Silberelektroden angeordnet ist. Jedes Stück aus PVDF bedeckte ungefähr 90% der Fläche des rechteckigen Paneels 1 und ließ die Ränder unbedeckt. Als Kleber wurde thermoplastischer Polyurethankleber "Puro H-25g" verwendet.
Die verwendete Folie verhält sich leicht anisotrop, und wenn eine Spannung angelegt wird, biegt sie sich geringfügig mehr in eine Richtung, die aktive Richtung, als in die Richtung orthogonal zur aktiven Richtung. Die obere und untere Folie wurden beide auf die aktive Richtung parallel zu den langen Seite des Paneels ausgerichtet.
Eine 1,2 g schwere Masse 11, die als das Einschränkungselement dienen sollte, wurde an einer Stelle entsprechend 3/7 der Länge des Paneels von einem Ende des Paneels entfernt und 4/9 der Breite des Paneels von einer Seite entfernt am Paneel angebracht. Zum Vergleich: die Masse des Paneels betrug 7 g. Die Masse hat eine kleine Größe und bedeckt daher nur eine kleine Fläche von weniger als 1% der Fläche des Paneels.
Die folgenden Schätzungen verschiedener Paneeleigenschaften wurden durchgeführt und unter Verwendung der gemessenen oder bekannten Eigenschaften jeder Komponente berechnet. Die Biegesteifigkeit des Paneels und der piezoelektrischen Schichten wurde mit 0,9 Nm veranschlagt, die Masse pro Einheit Fläche mit 1,78 kg/m² und die mechanische Impedanz mit 10,12 Ns/m. Die Koinzidenzfrequenz, d.h. die Frequenz, bei der die Geschwindigkeit von Schall in Luft mit der im Paneel übereinstimmt, ist mit 26,7 kHz veranschlagt. Die Grundfrequenz beträgt ungefähr 120 Hz.
Die Elektroden 5, 7 der oberen 61 und unteren 63 Folie wurden elektrisch parallel geschaltet.
Ein Experiment wurde durchgeführt, um die akustischen Schalldruckpegelfolien als Funktion der vom Lautsprecher bei 0,5 m mit einem 20V-Eingang zur Parallelschaltung erzeugten Frequenz zu messen. Die Ergebnisse sind in 7 gezeigt. Der Lautsprecher weist über einen weiten Frequenzbereich einen brauchbaren und gleichmäßigen Frequenzgang auf. Es ist zu beachten, dass für den Test kein Transformator verwendet wurde, daher weist die erzielte Schallleistung auf einen guten Wirkungsgrad hin.
Die oben erwähnte geringfügige Anisotropie der verwendeten Folien bedeutet, dass einige der Niederfrequenz-Resonanzmoden des Paneels weniger stark angeregt werden. Dies verursacht den geringfügigen Leistungsabfall unter ungefähr 1,5 kHz, der in 7 zu sehen ist. Stellt dies ein Problem dar, könnten Folienpaare auf jeder Seite des Paneels angebracht werden, wobei jedes Folienpaar orthogonale aktive Richtungen aufweist. Somit könnten vier Folien verwendet werden.
8 zeigt die von den zwei piezoelektrischen Folien dargestellte elektrische Impedanz. Wie zu sehen ist, ist die Impedanz bei niedriger Frequenz höher; dies ist für piezoelektrische Wandler charakteristisch.
Die Erfindung ist nicht auf die obenstehenden Ausführungsformen beschränkt, und es können eine Reihe Änderungen vorgenommen werden, ohne vom Anwendungsbereich der Erfindung abzuweichen. Zum Beispiel kann ein beliebiges auf elektrische Signale ansprechendes geeignetes Wandlermaterial verwendet werden, einschließlich PLZT oder Polyvinylidenfluorid (PVDF) wie oben erwähnt. Der Wandler kann tatsächlich eine Anordnung von Mikroaktuatoren sein, die einen wesentlichen Teilbereich der Paneeloberfläche bedeckt.
Die Elektroden können aus einem beliebigen geeigneten leitfähigen Material, wie z.B. Silber, leitfähiges Polymer, Kupfer o.ä., hergestellt sein. Die Elektroden können transparente Elektroden sein, die z.B. aus Indiumzinnoxid (ITO) bestehen.
Eine Feinabstimmung der Einschränkungsstelle und -art ist möglich, entweder durch Berechnen der korrekten Stelle oder durch systematische Analyse der Ergebnisse.
Eine Masse kann durch eine Vielfalt von Befestigungsmitteln, wie z.B. Klebstoff, Klebeband, eine Schraube oder alternative bekannte Befestigungen, am Paneel befestigt sein.
Eine Masse kann in das Paneel eingebettet sein, z.B. in das Kernmaterial einer Kernund-Haut-Struktur. Eine Masse kann auch an einer oder beiden Seiten in oder in der Nähe der Mitte oder am Umfang befestigt sein.
Der Ausdruck "Klemme" soll nicht auf eine herkömmliche Klemme beschränkt sein, und jedes beliebige Mittel, das eine örtlich begrenzte Zone des Paneels festhält, kann verwendet werden. Er umfasst z.B. ein starres Koppfungselement, das eine Stelle auf dem Paneel mit einem starren Rahmen starr koppelt, oder einen Teilbereich des Pa neels koppelt, der sandwichartig zwischen Klemmelementen angeordnet ist. Der Rahmen selbst kann so geformt sein, dass er einen Teilbereich des Paneels festklemmt. Der Fachmann kann ohne Weiteres alternative Verfahren zum Festklemmen des Paneels, d.h. zum wesentlichen Verhindern der Bewegung einer Zone des Paneels, ersinnen.
Das Paneelmaterial 9, das Biegewellen unterstützen kann, und seine Größe und Form können ebenfalls nach Bedarf abgewandelt werden.

Claims

Biegewellen-Lautsprecher mit – einem Paneel, das Biegewellen unterstützen kann und entgegengesetzte Flächen hat, sowie einem mit einer Paneelfläche gekoppelten Wandler, dadurch gekennzeichnet, dass – sich der Wandler über die Paneelfläche erstreckt und mit einem großen Teil der Paneelfläche gekoppelt ist, und – mindestens ein die Bewegung des Paneels einschränkendes Element mit mindestens einer diskreten kleinen Zone des Paneels gekoppelt ist, so dass eine Aktivierung des Wandlermaterials eine Vielzahl Resonanzbiegemoden des Paneels anregen kann.
Biegewellen-Lautsprecher nach Anspruch 1, bei dem der Wandler eine Schicht aus einem Wandlermaterial enthält, die sich über den großen Teil der Paneelfläche erstreckt und mit diesem gekoppelt ist.
Biegewellen-Lautsprecher nach Anspruch 2, bei dem die Schicht des Wandlermaterials sandwichartig zwischen einem Elektrodenpaar angeordnet ist.
Biegewellen-Lautsprecher nach Anspruch 3, bei dem eine Elektrode des Elektrodenpaares den großen Teil einer Fläche des Paneels bedeckt und das Wandlermaterial mechanisch mit dem Paneel koppelt.
Biegewellen-Lautsprecher nach einem der Ansprüche 2 bis 4, bei dem das Wandlermaterial ein piezoelektrisches Material ist.
Biegewellen-Lautsprecher nach Anspruch 5, bei dem das piezoelektrische Material transparent ist.
Biegewellen-Lautsprecher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem mindestens ein Einschränkungselement eine Masse ist.
Biegewellen-Lautsprecher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem mindestens ein Einschränkungselement ein starres Kopplungsstück ist, das mit dem Paneel über eine kleine Zone des Paneels gekoppelt ist, um die Bewegung dieser kleinen Paneelzone deutlich zu behindern.
Biegewellen-Lautsprecher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der große Teil der Paneelfläche mindestens 75% beträgt.
Biegewellen-Lautsprecher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem jede kleine Zone keine lineare Abmessung hat, die größer ist als 20% der Paneelbreite.
Biegewellen-Lautsprecher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem jede kleine Zone eine Fläche hat, die höchstens 1% der Paneelfläche entspricht.
Biegewellen-Lautsprecher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem gegenüberliegende Wandler, jeweils einer auf jeder der entgegengesetzten Flächen des Paneels, über den großen Teil der Paneelfläche angebracht sind.
Biegewellen-Lautsprecher nach Anspruch 12, bei dem der Wandler eine Schicht aus Wandlermaterial enthält, die sandwichartig zwischen einem Paar elektrisch leitfähiger Elektroden angeordnet ist.
Biegewellen-Lautsprecher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das mindestens eine Einschränkungselement in einem Abstand zum Rand des Paneels angeordnet ist, der mindestens 20% der Paneelbreite entspricht.
Biegewellen-Lautsprecher nach Anspruch 14, bei dem das Paneel mindestens eine Symmetrieachse hat und das mindestens eine Einschränkungselement zu jeder Symmetrieachse in einem Abstand von mindestens 4% der Paneelbreite angeordnet ist.
Biegewellen-Lautsprecher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Paneel von den Einschränkungselementen abgestützt ist.
Biegewellen-Lautsprecher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die resonanten Biegewellenmoden des von dem mindestens einen Einschränkungselement abgestützten Paneels bezüglich der Frequenz im Wesentlichen gleichmäßig verteilt sind.
Verfahren zur Herstellung eines Biegewellen-Lautsprechers, der ein Paneel mit entgegengesetzten Flächen aufweist, umfassend: – Bestimmen von Form, Größe und Eigenschaften des Paneels, – Wählen der Eigenschaften einer Schicht Wandlermaterials, die auf einem ausgewählten großen Teil einer Fläche des Paneels anzubringen ist, – Aufbringen eines Wandlers auf einer Fläche des Paneels, gekennzeichnet durch – Auswählen der Lage mindestens einer kleinen Zone und der Parameter des mindestens einen auf dem Paneel an der mindestens einen kleinen Zone anzubringenden Einschränkungselements derart, dass das Paneel eine nutzbare akustische Wirkung liefert, und – Herstellen eines Lautsprechers aus dem bestimmten Paneel durch Aufbringen des gewählten Wandlermaterials auf dem großen Teil einer Fläche des Paneels und der gewählten Paneel-Einschränkungselemente an der gewählten kleinen Zone unter Anwendung der gewählten Einschränkungs-Parameter.
Verfahren nach Anspruch 18, umfassend die Auswahl der Lage und der Parameter des mindestens einen Einschränkungselements für eine im Wesentlichen optimale Gleichmäßigkeit der akustischen Leistung über einen vorgegebenen Betriebsfrequenzbereich.
Verfahren nach Anspruch 18 oder 19, umfassend die Auswahl der Lage und der Parameter des mindestens einen Einschränkungselements für eine im Wesentlichen optimale Gleichmäßigkeit der Frequenzverteilung der resonanten Biegewellenmoden des Paneels über einen vorgegebenen Betriebsfrequenzbereich.