-
Technisches
Gebiet
-
Die
Erfindung betrifft elektromechanische Kraftwandler, Aktoren, Anregungseinrichtungen
und ähnliche
Einrichtungen und insbesondere, aber nicht ausschließlich, solche
Einrichtungen, die zur Verwendung in akustischen Vorrichtungen,
beispielsweise Lautsprechern und Mikrophonen, vorgesehen sind.
-
Zugrundeliegender
Stand der Technik
-
Die
Erfindung betrifft insbesondere, aber nicht ausschließlich, elektromechanische
Kraftwandler des Typs, der in der internationalen Patentanmeldung
WO 01/54450 der Anmelder der vorliegenden Anmeldung beschrieben
ist und der ein(en) oder mehrere Resonanzelement(e) oder Resonanzbalken mit
einer Frequenzverteilung der Moden im Betriebsfrequenzbereich des
Wandlers umfasst. Derartige Wandler sind als Aktoren mit verteilten
Moden ("distributed
mode actuators")
oder unter der Abkürzung DMA
bekannt.
-
Es
ist eine Aufgabe der Erfindung, einen Wandler bereitzustellen, bei
dem eine Dämpfung
bereitgestellt wird, um eine Reduzierung des Q der Moden und eine
Reduzierung der Auslöschungsstärke zwischen
den Moden zu bewirken, um eine erhöhte Glätte des Schalldrucks zu erzeugen.
-
Es
ist auch eine Aufgabe der Erfindung, die Robustheit des Wandlers
zu verbessern, beispielsweise die Ausfallwahrscheinlichkeit während Fall- oder
Schlagtests zu reduzieren.
-
Eine
weitere Aufgabe der Erfindung ist, die erste Resonanzmodusfrequenz
eines Aktors oder eines Wandlers, beispielsweise eines DMA-Wandlers, zu
reduzieren.
-
Offenbarung
der Erfindung
-
Gemäß einem
Aspekt ist die Erfindung ein Wandler der beschriebenen Art, bei
dem eine Schicht niedriger Steifigkeit zwischen die benachbarten
Flächen
einer Mehrzahl von Resonanzelementen eingesetzt wird und angeklebt
wird. Wir haben herausge funden, dass das einfache Hinzufügen einer
Dämpfungsschicht
an eine Fläche
eines Resonanzelementes oder eines Resonanzbalkens eine schlechte Dämpfleistung
ergibt, da sich die Schicht mit dem Element streckt, während das
Element Dimensionsänderungen
erfährt.
Jedoch führt
die Verwendung einer flexiblen Referenzschicht mit einem hohen Widerstand
gegenüber
einer Dimensionsänderung,
beispielsweise einer Folie, an der anderen Seite der Dämpfungsschicht
zu einer Verbesserung der Dämpfung,
da die Dämpfungsschicht
jetzt zwischen der sich ändernden
Dimension der Elementfläche
und der nicht streckbaren Folie schert. Wenn erreicht werden kann,
dass die Referenzschicht ihre Dimension entgegengesetzt zu derjenigen
der gedämpften Fläche ändert, wird
der Dämpfungseffekt
verdoppelt. Dies ist der Effekt, der erreicht wird, indem die Dämpfungsschicht
zwischen benachbarte Elementflächen geklebt
wird.
-
Kurzbeschreibung
der Zeichnungen
-
Die
Erfindung wird anhand eines Beispiels in den begleitenden Zeichnungen
graphisch dargestellt, in denen:
-
1 eine
Seitenansicht einer ersten Ausführungsform
des elektromechanischen Kraftwandlers der vorliegenden Erfindung
ist;
-
2a eine
Seitenansicht eines Teils eines elektromechanischen Kraftwandlers
ist;
-
2b eine
Seitenansicht einer ersten Ausführungsform
des elektromechanischen Kraftwandlers der vorliegenden Erfindung
ist;
-
3 ein
Graph ist, der die blockierte Kraft eines Wandlers mit einem einzigen
Balken mit der des Wandlers aus 1 vergleicht;
-
4 ein
Graph ist, der den Schalldruck zwischen einem ungedämpften DMA
mit doppeltem Balken, einem zur Hälfte gedämpften DMA (d.h. mit einem
Dämpfungsmaterial,
das zwischen den Resonanzelementen über die Hälfte der Länge der Resonanzelemente geklebt
ist) und einem vollständig
gedämpften
DMA-Wandler mit doppeltem Balken vergleicht;
-
5 eine
Seitenansicht eines Aktors mit einem einzigen Balken ist;
-
6 eine
Seitenansicht eines Beispiels eines elektromechanischen Kraftwandlers
ist, das zum Verständnis
der Erfindung nützlich
ist;
-
7 ein
Graph ist, der die blockierte Kraft bei verschiedenen Zuständen vergleicht;
-
8a ein
Graph ist, der den Schalldruck unter verschiedenen Zuständen vergleicht;
-
8b eine
perspektivische Ansicht eines Wandlers der in 6 gezeigten
Art ist, der am Rand einer Platte angeordnet ist; und
-
9 ein
Graph ist, der die blockierte Kraft bei unterschiedlich nachgiebigen
Stumpfelementen vergleicht.
-
Beste Ausführungsarten
der Erfindung
-
1 zeigt
einen Doppelbalkenwandler der Art, die allgemein in der WO 01/54450
beschrieben ist. Der Wandler 1 hat einen ersten piezoelektrischen Balken 2,
an dessen Rückseite
ein zweiter piezoelektrischer Balken 3 durch ein Verbindungsmittel
in Form eines starren Stumpfelementes 4 angebracht ist,
das in der Nähe
des Mittelpunktes beider Balken angeordnet ist. Jeder Balken ist
ein Bimorph.
-
Der
Wandler 1 ist an einer Struktur 5, beispielsweise
dem Paneel eines Biegewellen-Lautsprechers,
beispielsweise eines Lautsprechers mit verteilten Moden (distributed
mode loudspeaker: DML) durch Kopplungsmittel in Form eines starren Stumpfelementes 6 angebracht,
das nahe dem Mittelpunkt des ersten Balkens angeordnet ist.
-
Bei
der vorliegenden Erfindung ist eine Schicht 7 niedriger
Steifigkeit aus geschäumtem Kunststoff
zwischen benachbarte Flächen
der zwei Balken 2, 3 geklebt. Die geklebte Schicht
kann im Wesentlichen die gesamten benachbarten Flächen bedecken
oder sie kann diskontinuierlich sein, um beispielsweise bestimmte
Moden zu dämpfen.
-
Im
Folgenden werden einige Parameter für ein geeignetes Schaumdämpfungsmaterial
dargestellt.
- "Poron" langsam zurückfederndes
Polyurethan-Kunststoffschaummaterial;
- Typ: 4790-92-25041-04S;
- Dicke: 1,05 mm (wir versuchten auch eine Dicke von 1,0 mm mit
Erfolg);
- Dichte: 400 kg/m3;
- Komprimierungs-E-Modul (E-Modul bei zusammengepresstem Schaum)
= 2 MPa bei 1 kHz;
-
Der
gemessene Widerstand R beträgt
etwa 8 × 105 Ns/m3.
-
Diese
Werte sind der gemessene Real-Teil des mechanischen Widerstandes
unter Kompression, nicht Scherung. Scherwerte sind nicht vorhanden.
-
Die
Verwendung eines dünneren
Schaums (0,6 mm) ergab auch gute Ergebnisse. Es wird erwartet, dass
ein dickerer Schaum, beispielsweise bis zu 1,5 mm, mit diesem Material
gute Ergebnisse erzielen würde.
Wir schlagen Dickengrenzwerte zwischen 0,3 und 2,0 mm vor.
-
Es
wird erwartet, dass die Dichte (ohne Berücksichtigung von E und R) irrelevant
ist und um einen Faktor von 100 variieren könnte und eine geringe Auswirkung
hat. E ist wichtig, aber das auftretende Scheren erschwert es, die
Bedeutung von E zu identifizieren. Wir schlagen vor, dass ein um
einen Faktor von 4 erhöhtes
E beginnen würde,
den Balken zu versteifen und folglich zu vermeiden ist. Eine Reduzierung
von E hätte
eine geringe Auswirkung, da es scheint, dass die Steifigkeit des
Systems durch das Hinzufügen
des Schaums nicht sehr stark beeinflusst wird. Der Wert für R ist
wichtig. Es wird erwartet, dass eine Reduzierung von R eine Dämpfung auf
eine lineare Weise bewirkt. Wir schlagen vor, dass er nicht um mehr
als einen Faktor von beispielsweise 4 reduziert wird. Das Erhöhen von
R ist gut, aber es kann nicht ohne Beeinflussung der anderen Parameter
erreicht werden.
-
2 zeigt die Auswirkungen des Klebens an
eine Fläche
oder an beide Flächen
eines Mehrbalkenwandlers. 2a zeigt
den Fall, wo die Dämpfungsschicht 7 lediglich
an einen Balken 2 geklebt ist. Wenn sich der andere Balken 3 relativ
zum Balken 2 bewegt, gleitet er über die obere Oberfläche der Dämpfungsschicht,
die sich daher nicht deformiert und nur wenig zum Dämpfen der
Biegeresonanzen beiträgt.
In 2b ist die Dämpfungsschicht
jedoch an beide Balken geklebt und folglich wird sie in eine Scherung
durch die Relativbewegung des Balkens 3 gegenüber dem
Balken 2 gezwungen. Es ist diese Scherung, die eine Dämpfung aufbringt.
-
Die
Balkenlängen
müssen
nicht gleich sein, aber der maximale Dämpfungseffekt wird erwartet, wenn
sie es sind. Der gemessene Effekt des Hinzufügens einer Dämpf ungsschicht
zwischen zwei Balken auf die blockierte Kraft eines zentral angebrachten
Wandlers ist in 3 gezeigt. Das Q aller Moden ist
reduziert und die Eigenfrequenzen haben sich nicht verändert, was
eine extrem geringe Steifigkeit des Klebematerials 7 impliziert.
Das Hinzufügen
der Dämpfungsschicht
erhöht
die Abgabeleistung, wenn eine Auslöschung in dem Wandler auftritt,
beispielsweise zwischen den Resonanzen von Balken unterschiedlicher
Länge.
-
4 zeigt
den simulierten Effekt des Hinzufügens einer Dämpfung zwischen
den Flächen
eines DMA-Wandlers mit Balken einer Länge von 36 mm/34 mm auf den
Schalldruck. Die Abgabeleistung bei der Grundschwingung des Wandlers
ist leicht reduziert, aber eine breite Erhöhung der Abgabeleistung tritt
im Bereich von 3 bis 4 kHz auf. Dies ist der Bereich der internen
Auslöschung
im Wandler. Das Schalldruckverhalten ist auch glatter.
-
Es
wird erwartet, dass auch die Ausfallraten beim Falltest reduziert
sind. Beim Aufprall wird der größte Teil
der Energie in der Anregungseinrichtung bei seiner Grundresonanzfrequenz
vorhanden sein. Da die Dämpfung
das Q dieser Resonanz reduziert, wird die sofortige Maximalverlagerung
reduziert, was zu einer reduzierten Spannung in dem Balken führt. Es
wird erwartet, dass diese Spannungsreduzierung die Zuverlässigkeit
beim Falltest verbessert. Zusätzlich
kann die Bauhöhe
des Wandlers durch die vorliegende Erfindung reduziert werden.
-
Das
zum Koppeln eines Wandlers der zuvor beschriebenen Art mit seiner
Last verwendete Stumpfelement ist in allen drei kartesischen Achsen steif,
und die Rotationssteifigkeit wird üblicherweise ignoriert und
wird als hoch angenommen. Für
den Fall eines Balkens mit einer Stumpfelementposition in der Mitte
seiner Länge
tritt keine Drehung am Stumpfelement bei der Grundresonanzfrequenz
des Balkens auf. Falls dieser drehungsfreie Grenzzustand am Ende
eines Balkens mit der halben Länge repliziert
wird, wird die Grundfrequenz bei der gleichen Frequenz wie bei einem
Balken mit der vollen Länge
auftreten, jedoch mit der halben Kraft. Dies ist der Auslegerzustand,
siehe 5. 5 ist ein Diagramm, das die
Grundschwingungsmodenform eines Auslegerbalkens zeigt (das ist ein
Stumpfelement mit extremem Offset). Die ausgelenkte Form zeigt eine reine
Biegebewegung.
-
Jedoch
fällt durch
Reduzieren der Drehsteifigkeit des Stumpfelementes von diesem hohen
Wert auf einen niedrigeren Wert die f0 des Balkens und wird weniger
abhängig
von der Biegebewegung des Balkens und starrkörperähnlich, siehe 6. 6 ist
ein Diagramm einer Modenform eines Balkens, der mit einer Platte
mit einem weichen Stumpfelement gekoppelt ist, das eine Drehung
des Balkens erlaubt, wobei die Modenform eine gewisse Biegung in dem
Balken und gewisse Drehversätze
zeigt. Im Grenzfall einer Drehsteifigkeit von 0 fällt die
Mode auf 0 Hz ab und ist eine Starrkörpermode. Das Bezugszeichen 9 stellt
eine eingeschlossene Luftschicht hinter der Platte 5 dar,
die in der Simulation mit der Platte koppelt und den Modensatz von
Resonanzen in der Platte beeinflusst, und das Bezugszeichen 10 stellt den
Körper
eines Mobiltelefons dar, das einen Lautsprecher enthält, der
durch die Platte 5 und den Wandler 1 gebildet
ist. Es ist zu erwähnen,
dass die Auslenkung des Balkens 2 stark übertrieben
ist, um sichtbar zu sein.
-
Durch
Auswählen
dieser Drehelastizität
kann die f0 des Balkens niedriger sein als die f0 eines Balkens
mit doppelter Länge,
der an seinem Mittelpunkt befestigt ist – es wurde eine FE-Analyse
verwendet, um diesen Effekt zu zeigen, siehe 7. 7 ist
ein Graph der simulierten blockierten Kraft, der durch drei Zustände erzeugt
wurde: ein in der Mitte befestigter 36 mm langer Balken, ein Balken
mit der halben Länge
und einem starren Stumpfelement am Ende und ein Balken mit der halben
Länge und
einem nachgiebigen Stumpfelement am Ende. Der Fall des harten Stumpfelementes
erzeugt eine Versteifung des Balkens, was tatsächlich seine Länge geringfügig reduziert.
-
Ein
festes Stumpfelement hat die gleiche Steifigkeit in den drei Translations-
und Rotationsachsen. Durch geeignetes Profilieren der Querschnittsform
des Stumpfelementes können
verschiedene Steifigkeiten in den sechs unterschiedlichen Achsen
erzeugt werden. Das Ergebnis ist, dass die Moden in den unterschiedlichen
Achsen bei verschiedenen Frequenzen auftreten. Falls die Lastimpedanz
asymmetrisch ist, können
die Moden, die eine Bewegung in anderen Richtungen als normal zur
Balkenoberfläche
umfassen, in die Platte einkoppeln, was zu einer erhöhten Modendichte
führt,
siehe 8. 8a ist
ein Graph des simulierten Effektes auf den Schalldruck, der durch Ändern der
Steifigkeit des Stumpfelementes hervorgerufen wird. 8b ist eine
perspektivische Ansicht eines plattenförmigen Lautsprechers, der eine
Platte 5 mit einem daran angebrachten Wandler umfasst,
der an einem weichen Stumpfelement 6 mit einem I-Balkenquerschnitt
angebracht ist, und zeigt den DMA als sich in der Ebene bewegend.
Im Fall einer Mode in der Ebene, der in 8 dargestellt
ist, ist diese Mode nicht vorhanden, wenn die Drehsteifigkeit um
die Achse 8 normal zur Ebene der Platte ignoriert wird.
In diesem Fall tritt die erste Mode teilweise aufgrund der Drehsteifigkeit
um die Achse entlang des kurzen Randes des Balkens auf, und die
zweite Mode tritt aufgrund der Steifigkeit um die Achse normal zum
Balken auf. Die letzte Drehachse um die Achse, die sich entlang
der Länge des
Balkens bewegt, wird ebenfalls eine Mode erzeugen.
-
Ein
Beispiel einer Stumpfelementform, die zu einer unterschiedlichen
Steifigkeit in verschiedenen Achsen führt, ist ein I-Querschnitt,
siehe 9. 9 ist ein Graph des simulierten
Effektes auf die blockierte Kraft eines Stumpfelementes aus Polycarbonat
mit I-Querschnitt mit unterschiedlichen Längen der vertikalen Stege.
Dieses Stumpfelement ist insgesamt 3 mm breit, wobei der innere
Steg 1 mm breit ist und die Steglänge auf dem Ausdruck angegeben ist.
-
Durch Ändern der
Grundresonanz von einer reinen Biegebewegung in dem Balken zu einer
teilweise translatorischen Bewegung wird die Spannung im Balken
bei der Grundfrequenz reduziert. Da bei einem Stoß die Grundfrequenz
die meiste Energie erhält,
ist es wahrscheinlicher, dass der Balken ohne Beschädigung überlebt,
da der größte Teil
der Verformung im Stumpfelement auftritt.
-
Obwohl
ein Stumpfelement mit einem I-Balkenquerschnitt beschrieben worden
ist, können
viele andere Stumpfquerschnitte verwendet werden, beispielsweise
trapezförmige,
zylinderförmige
usw.