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BEREICH DER
ERFINDUNG
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Diese
Erfindung betrifft aktive akustische Vorrichtungen und insbesondere
Plattenelemente, für
die eine akustische Wirkung oder Leistung auf einer günstigen
Verteilung von Resonanzmoden eines Biegewellenvorgangs in einem
solchen Plattenelement und zugehöriger
Oberflächenschwingung
beruht.
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Der
Begriff "verteilte
Moden" wird hierin
praktischerweise für
akustische Vorrichtungen wie akustische Strahler oder Lautsprecher
verwendet; der Begriff "Plattenform" soll sich auf eine
solche verteilte Modenaktion in einem Plattenelement beziehen, es
sei denn, dass der Kontext dies nicht zulässt.
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In
plattenförmigen
Lautsprechern oder als plattenförmiger
Lautsprecher arbeiten solche Plattenelemente als akustische Strahler
mit verteilten Moden, die auf einer Biegewellenaktion beruhen, die
von Eingabemitteln induziert wird, die mechanisch auf das Plattenelement
einwirken; und einer resultierenden Erregung von Resonanzmoden einer
Biegewellenaktion, die Oberflächenschwingungen
für eine
akustische Ausgangsleistung durch Kopplung mit Umgebungsfluid, gewöhnlich Luft,
erzeugt. Offenbarende Lehren in Bezug auf solche akustischen Strahler
(neben einer breiteren Klasse von aktiven und passiven akustischen
Einrichtungen mit verteilen Moden) befinden sich in unserer internationalen
Patentanmeldung WO97/09842; und verschiedene unserer späteren Patentanmeldungen
betreffen nützliche
Hinzufügungen
und Weiterentwicklungen.
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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Bisher
wurden Wandlerorte als praktikabel und optimal effektiv an Orten
innerhalb des Plattenelementes und bis zu einem erheblichen Ausmaß in Richtung
auf, aber versetzt von seiner) Mitte angesehen, jedenfalls für Platten,
die im Hinblick auf die Biegesteifigkeit im Wesentlichen isotrop
sind und eine effektiv im Wesentlichen konstante axiale Anisotropie
von Biegesteifigkeit(en) aufweisen. Die oben genannte WO97/09842 gibt
spezifische Richtlinien im Hinblick auf optimale Verhältniskoordinaten
für solche
inneren Wandlerorte, einschließlich
Alternativen; sowie Prioritäten für unterschiedliche
besondere Koordinatenkombinationen bei Verwendung von zwei oder
mehr Wandlern.
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Verschiedene
vorteilhafte Anwendungen, die für
die Plattenform von akustischen Vorrichtungen spezifisch sind, wurden
angedeutet, einschließlich
des Tragens von akustisch nicht intrusiven Oberflächenschichten
oder -lagen. So ist beispielsweise ein physikalisches Verbinden
mit oder Einbauen in eine Verkleidung oder Auskleidung möglich, sogar
in visuell praktisch nicht unterscheidbarer Weise. Es ist auch eine
funktionelle Kombination für
andere Zwecke möglich,
wie z.B. zur Anzeige, einschließlich
Bildern, Postern, abwischbaren Tafeln, Projektionsschirmen usw.
Die Fähigkeit,
innere Wandler effektiv vor der Sicht zu verbergen, reicht für viele
Anwendungen aus. Es gibt jedoch praktische Anwendungsmöglichkeiten,
wo es nützlich
sein könnte,
größere, insbesondere
zentrale, Plattenregionen selbst durch verbergbare Wandler unverdeckt
zu lassen. So lohnt sich beispielsweise für Video oder andere durchsichtige
Anzeigezwecke die Verfolgung von Transluzenz, selbst Transparenz,
von Plattenelementen mit solchen inneren Intrusionen von Wandlern
nicht, obwohl eine plattenförmige
akustische Vorrichtung äußerst attraktiv
wäre, wenn
sie große
Medienbereiche mit unbehinderter Sichtbarkeit bieten könnte.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird eine aktive akustische Vorrichtung mit verteilten
Moden mit einem im Wesentlichen rechteckigen Plattenelement und
einem an das Plattenelement gekoppelten Wandler bereitgestellt,
wobei das Plattenelement Biegewellen in einem Betriebsfrequenzbereich über einen
aktiven Bereich der Quererstreckung des Plattenelementes mit einer
Verteilung von Resonanzmoden von Biegewellenschwingungen aufrechterhalten
kann, die in Verbindung mit dem Wandler die akustische Leistung
bestimmt, wobei das Plattenelement bestimmte physikalische Parameter
aufweist, deren Werte die genannte Verteilung von Resonanzmoden
beeinflussen, wobei die genannten Parameter ausgewählte Werte
haben, so dass die genannten Resonanzmoden bezüglich der Frequenz günstig über den
genannten aktiven Bereich verteilt sind, und wobei das Plattenelement
ferner mindestens einen inneren Ort des genannten aktiven Bereichs
aufweist, wo eine Mehrzahl von Resonanzbiegewellenmoden über den
Betriebsfrequenzbereich schwingungsaktive Antinoden aufweist, wobei
der Wandler für
eine günstige
betriebliche Wechselwirkung des Wandlers mit dem Plattenelement
an einer Randbereichsposition des Plattenelements an das Plattenelement
gekoppelt ist, wobei die genannte Marginalposition eine orthogonale
Koordinate des mindestens einen inneren Ortes aufweist, welcher
selbst orthogonale Koordinaten aufweist, die bezüglich einer Ecke und zwei Rändern des
genannten im Wesentlichen rechteckigen Plattenelementes festgelegt
sind.
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Aus
dem relevanten Stand der Technik zum Zeitpunkt der vorliegenden
Erfindung ist die Verfügbarkeit solcher
erfolgreicher Randbereichspositionen, milde ausgedrückt, unerwartet.
In der Tat ist der nächstliegende Stand
der Technik, der gegen die WO97/09842 angeführt wurde, der Ausgangspunkt
für die
vorliegende Erfindung und die offenbarende Lehre, nämlich WO92/03024,
von der aus Fortschritte insbesondere im Hinblick auf das Abweichen
von einer Erregung davon an einer Ecke gemacht wurden. Ein solcher
Fortschritt setzte das Verständnis
voraus, dass eine Biegewellenaktion mit verteilten Resonanzmoden,
wie sie für
eine brauchbare akustische Leistung erforderlich ist, zu hohen Schwingungsaktivitäten an den
Plattenecken führt,
ein Faktor, der auch für
Plattenränder
allgemein gilt. Wenigstens intuitiv, und sehr gestützt durch
praktische Erfolge mit etwas von der Mitte versetzten, aber doch
immer noch sehr inneren Wandlerorten, wirkt eine solche starke Schwingungsaktivität natürlich stark
mit Plattenrandbereichen zusammen, was natürlich begrenzten Zugang zu,
und somit wahrscheinlichen verfügbaren
Effekt auf, Plattenelementmaterial insgesamt bietet; und eine solche
zusammenwirkende Kombination trägt
zu der zuvor wahrgenommenen Nichtdurchführbarkeit der Randerregung
bei.
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Für die Anwendung
der vorliegenden Erfindung kann ein geeignetes akustisches Plattenelement,
oder wenigstens ein Bereich davon, transparent oder transluzent
sein. Mehrere Wandler können
sich an oder nahe verschiedenen Rändern befinden, wenigstens
bei im Wesentlichen rechteckigen Plattenelemente. Der oder jeder
Wandler kann piezoelektrisch, elektrostatisch oder elektromechanisch
sein. Der oder jeder Wandler kann so angeordnet sein, dass Druckwellen
in den Plattenrand geleitet werden und/oder der Plattenrand seitlich ausgelenkt
wird, um transversale Biegewellen entlang eines Plattenrandes einzuleiten
und/oder um Torsion über
eine Plattenecke aufzubringen und/oder um eine lineare Auslenkung
eines lokalen Bereichs der Platte zu erzeugen.
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Die
Beurteilung der akustischen Ausgangsleistung von Plattenelementen
kann relativ zu geeigneten Kriterien für akustische Ausgangsleistung
beinhalten in Bezug auf die Menge an Ausgangsleistung und somit Effizienz
beim Konvertieren von mechanischen Eingangsschwingungen (automatisch
auch üblicher
kausativer elektrischer Antrieb) in akustische Ausgangsleistung,
Glattheit des Leistungsausgangs als Maß für die Gleichmäßigkeit
der Resonanzmodenerregung der Biegewellenaktion, Untersuchung des
Leistungsausgangs im Hinblick auf Frequenzen erregter Resonanzmoden
einschließlich
Anzahl und Verteilung oder Streuung dieser Frequenzen, jeweils bis
zu allen als nützliche
Indikatoren. Solche Beurteilungen der Nützlichkeit von Orten für Wandler
bilden einzeln und in Kombination Verfahrensaspekte der vorliegenden
Erfindung.
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Als
Hilfe für
die Beurteilung wenigstens der Glattheit des Leistungsausgangs wird
hierin ferner vorgeschlagen, Techniken auf der Basis der mittleren
quadratischen Abweichung von einer Referenz anzuwenden. Die Verwendung
des Kehrwertes der mittleren quadratischen Abweichung hat den Vorteil,
dass die Glattheit zur Beurteilung unmittelbar gemäß positiven
Werten und/oder Darstellungen präsentiert
wird. Eine geeignete Referenz kann für jeden betrachteten Fall individuell
sein, z.B. auf Medianbasis, wie z.B. grafisch durch eine geglättete Linie
durch den tatsächlichen
gemessenen Leistungsausgang über
einen interessierenden Frequenzbereich dargestellt. Es ist äußerst hilfreich
für die
Beurteilung der mittleren quadratischen Abweichung, wenn die Referenz
ein normalisiertes Standardformat hat; und wenn der gemessene akustische
Leistungsausgang so justiert wird, dass er zu diesem Standardformat
passt. Das Standardformat kann eine grafisch gerade Linie, vorzugsweise
eine flache gerade Linie sein, die somit einem besonderen konstanten
Referenzwert entspricht; ferner vorzugsweise dieselbe Linie oder
derselbe Wert, der von Natur aus auf ein Plattenelement mit verteilten
Moden bei höheren
Frequenzen zutrifft, bei denen Moden und Modalaktion dichter oder
am dichtesten sind.
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In
diesem Zusammenhang wird es als erwähnenswert angesehen, dass jede
Funktion, die für
eine solche Normalisierung zu einer im Wesentlichen konstanten Referenz
erforderlich ist, effektiv auch eine Basis für eine Ausgleichsfunktion ist,
die auf Eingangssignale anwendbar ist, um einen tieferfrequenten
akustischen Ausgang zu verbessern. Es ist der Fall, dass praktikable
Plattenelemente mit verteilten Moden als solche, und mit bevorzugten
Seitenverhältnissen
und Biegesteifigkeit(en) wie in unserer obigen Patentanmeldung,
natürlich
akustische Leistungsausgangskennwerte relativ zur Frequenz haben
können,
die in Richtung auf und über tiefere
Frequenzen progressiv abfallen, wo Resonanzmoden und Modalaktion
weniger dicht sind – aber
ein solcher Eingangssignalausgleich kann, da ihre Frequenzverteilung
als solche gewöhnlich
für eine
akustische Wirkung in einem solchen tieferen Frequenzbereich günstig ist,
nützlich
sein. Dieser niedrigere akustische Leistungsausgang bei tieferen
Frequenzen hängt
mit freien Randschwingungen der Plattenelemente als solche und demzufolge
größeren Verlusten
an tieferfrequenter Leistung zusammen, von der ein großer Anteil
dazu neigt, schlecht abgestrahlt und/oder abgeleitet zu werden,
einschließlich
eines tatsächlichen
Kurzschließens um
freie benachbarte Plattenränder
herum. Wie erwartet, sind diese tieferfrequenten Leistungsverlusteffekte für Plattenelemente
mit Wandlerorten an oder nahe bei ihren Rändern und/oder geringeren Steifigkeiten
erheblich größer – im Vergleich
zu Plattenelementen mit inneren Wandlerorten. Eine erhebliche Milderung
dieser Effekte kann jedoch, und separat von jeglichem Eingangssignalausgleich,
dadurch erreicht werden, dass die Plattenelemente so montiert werden,
dass sie von Resonanzwänden
umgeben sind, und/oder durch Einklemmen an den Rändern der Plattenelemente.
In der Tat können
beabstandete örtlich
begrenzte Randklemmen selektiv günstige
Effekte bezüglich
Frequenzen mit Wellenlängen
haben, die größer sind
als die Abstände
der örtlich
begrenzten Randklemmen.
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Bei
der paarweisen Verwendung von Wandlern wurde eine erste Präferenz für randseitige
Wandlerorte mit der genannten Korrelation gefunden, die fiktiv den
größten Bereich
umfassen. Für
ein im Wesentlichen rechteckiges Plattenelement kann die genannte
Korrelation über
eine Ensprechung mit orthogonalen oder kartesischen Koordinaten
erfolgen, wobei die genannte erste Präferenz darin besteht, dass
Wandler mit diagonal gegenüberliegenden
Quadranten assoziiert werden. Dies bezog sich jedoch auf ein Plattenelement
mit besonders hoher Steifigkeit/hohem Q-Wert, und ist nicht immer
wahr, selbst für
recht (aber weniger) steife Platten (siehe weiter unten), die einen
vielversprechenden Betrieb bei Assoziation in einigen oder benachbarten
Quadranten zeigen.
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Es
wurden weitere Untersuchungen u.a. an Plattenelementen mit unterschiedlichen
Steifigkeiten durchgeführt,
die insbesondere wieder recht hoch sind, aber auch mit Platten mit
weitaus geringerer und mittlerer Steifigkeit, in jedem Fall mit
einer gewöhnlichen,
im Wesentlichen rechteckigen Konfiguration mit Seitenverhältnissen
und axialen Biegesteifigkeiten, wie sie allgemein in der WO97/0842
beschrieben sind.
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Für das Plattenelement
mit der höheren
Steifigkeit bestätigte
eine Beurteilung auf der Basis der Glattheit des Leistungsausgangs
für einzelne
Wandlerorte entlang längerer
und kürzerer
Ränder
im Allgemeinen die obigen bevorzugten Koordinatenpositionen, d.h.
die Spitzen lagen wie erwartet an den besten Orten für einzelne
Wandler. Allerdings hatten darüber
hinaus längere
Ränder
vielversprechende Glattheitsstreuungen innerhalb von etwa 15% von
der Spitze an Wandlerorten zwischen den Koordinatenpositionen in
jeder Hälfte des
Randes und jenseits dieser Koordinatenpositionen auf etwa einem
Drittel der Länge
von jeder Ecke; und innerhalb von etwa 30% entlang wenigstens der
Viertellängenpositionen.
Für die
kürzeren
Ränder
lagen die Glattheitsstreumesswerte innerhalb von etwa 10% zwischen
den Koordinatenpositionen und innerhalb von etwa 25% bei Viertellängenpositionen.
Die kürzeren
Ränder
zeigten tatsächlich
eine bessere Leistungsglattheit als die längeren Ränder bei Viertellängenpositionen
bis etwa zur Einzehntellänge
der Ecken.
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Die
Untersuchung von Kombinationen von zwei Wandlern wurde auch besonders
auf dieselben und benachbarte Quadranten mit einem Wandler erweitert,
für jeweils
einen auf jedem der längeren
und kürzeren Ränder. Ein
Wandler kann sich in einer besten Position entlang einem der Ränder für einen
einzelnen Wandler befinden, wobei der andere Wandler entlang dem
anderen Rand variiert. Für
eine Variation entlang des kürzeren
Randes wird die obige Präferenz
für eine
der Positionen gemäß Koordinaten
von inneren bevorzugten Wandlerorten anhand eines besten Glattheitsmaßes bei
etwa Sechszehntellänge
bestätigt.
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Untersuchungen
mit Plattenelementen von weitaus geringerer Steifigkeit auf der
Basis der Glattheit des Leistungsausgangs haben eine Spitze für randseitige
Wandlerorte ebenfalls bei etwa der inneren Koordinatenposition gezeigt.
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Untersuchungen
von Plattenelementen mit recht hohen und weitaus geringeren Steifigkeiten
zeigen deutlich recht andere Fälle
für die
Anwendung einer randseitigen Erregung, einschließlich einer höheren und geringeren
Kritikalität
der Wandlerorte, ob einzeln oder paarweise, und in Bezug auf eine
geringere oder stärkere
Interaktion mit der wandlerinternen Nachgiebigkeit. Es ist somit
angemessen, ein Plattenelement mit mittlerer Steifigkeit in Betracht
zu ziehen.
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Für ein solches
Plattenelement mit mittlerer Steifigkeit, und weitgehend wie erwartet,
beinhalten Differenzen in Bezug auf Plattenelemente mit weitaus
geringerer Steifigkeit eine Zunahme des akustischen Leistungsausgangs,
der durch Randklemmen zur Verfügung
steht, stark erhöhte
Leistung für
Moden im mittleren Frequenzbereich und stärkere Modalität oder mehr
Spitzen für
tieferfrequente Moden. Eine Tendenz zu Eigenschaften der Plattenelemente
mit höherer
Steifigkeit schließen
eine stärkere
Präferenz
als beste einzelne Wandlerorte für
Randpositionen auf einer Koordinate optimaler innerer Wandlerorte
ein und versprechen auch Durchführbarkeit
für Orte
durch den Mittelpunkt, aber vielleicht auch ein Zehntel einwärts von
den Ecken. Für zwei
randseitig positionierte Wandler ergab sich eine starke Präferenz für die koordinatenbezogene
Position eines optimalen inneren Wandlerortes, mit einer weniger
guten, aber wahrscheinlich brauchbaren Streuung zu mittleren und
Zweidrittellängenpositionen
und Gleichheit derselben quadrantenkoordinatenbezogenen und Zweidrittellängen-Positionen.
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Es
ist offensichtlich, dass Unterschiede der Materialparameter von
Plattenelementen über
ihre Grundfähigkeit
hinaus, Biegewellenaktion aufrechtzuerhalten, bei der Bestimmung
der randseitigen Wandlerorte signifikant sind; und dass die Verwendung
von zwei oder mehr solcher Wandlerorte äußerst individuelle Lösungen ergibt,
die eine experimentelle Beurteilung erfordern, wie sie jetzt aufgrund
Lehren davon möglich
sind.
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Ebenso
wurde gefunden, wenigstens spezifisch für getestete, im Wesentlichen
rechteckige Plattenelemente, dass viele, wenn nicht sogar die meisten,
möglicherweise
sogar fast alle, Rand- oder Nahe-Randorte für Wandler, die als solche nicht
vielversprechend sind, erheblich verbessert werden können (im
Hinblick auf die biegewellenabhängige
Resonanzmodenverteilung und die Erregung in das akustische Ansprechverhalten des
Elementes), wenn sie mit örtlich
begrenzter Massebelastung oder mit örtlich begrenztem Einklemmen
an einer oder mehreren ausgewählter
anderer Marginalpositionen des betroffenen Plattenelements assoziiert werden.
Erfinderische Aspekte beinhalten somit die Assoziation einer genannten
Antriebsmittelposition mit hilfreicher anderer Massebelastung oder
Klemmposition im Randbereich des Plattenelements.
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In
Bezug auf die Verwendung zweier oder mehrerer Wandler ist eine umfassende
Untersuchung von Kombinationen von Randbereichsorten unpraktisch,
aber es wird gelehrt, wie beste und andere brauchbare Randbereichsorte
für zweite
Wandler für
jeden gegebenen ersten randseitigen Wandlerort gefunden werden können. In
der Tat könnten
noch weitere randseitige Wandlerorte untersucht und gemäß der Lehre
davon beurteilt werden. Etwa ebenso könnte die Verwendung von örtlich begrenzter
randseitiger Dämpfung
zum Verbessern der Leistung für
jeden gegebenen randseitigen Wandlerort untersucht und in jedem/r
Ausmaß und
Anzahl anhand der Lehre davon beurteilt werden, sei es zum Erhöhen oder
zum Verringern der Beiträge
einiger Resonanzmoden, für
eine anderweitig absichtliche Interferenz mit anderen Resonanzmoden,
oder hauptsächlich
zum Erhöhen
der Ausgangsleistung.
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Es
wird für
allgemein lohnenswert gehalten, die Tatsache zu berücksichtigen,
dass niedrigste Resonanzmoden mit der Länge der längsten natürlichen Achse eines Plattenelementes
zusammenhängen,
so dass längere
Ränder
von im Wesentlichen rechteckigen Plattenelementen im Wesentlichen
immer als Wandlerorte favorisiert sind, und das immer, nach Möglichkeit,
an der besten Position für
den Betrieb mit einer einzelnen Wandlereinrichtung. Man kann dies
selbst dort als gegeben annehmen, wo sich die Verwendung eines anderen
Wandlers anbietet oder eine solche beabsichtigt ist, sei es zum
Verstärken
einiger Resonanzmoden, für eine
absichtliche Interferenz mit anderer Resonanzmoden oder hauptsächlich zum
Erhöhen
der Ausgangsleistung.
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Ebenso
allgemein relevant ist die Tatsache, dass der interessierende Betriebsfrequenzbereich
Teil der Beurteilung des Ortes von Wandlereinrichtungen sein sollte
und durchaus beste und brauchbare solcher Orte beeinflussen kann,
d.h. sich für
Bereiche unterscheiden könnte,
die vollständig über z.B.
500 Hz liegen oder bis darunter reichen. Ein weiterer Einflussfaktor
könnte
die Anwesenheit einer benachbarten Fläche sein, z.B. hinter dem Plattenelement
in einem Abstand, der die akustische Leistung beeinflusst.
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Es
wird gefolgert oder postuliert, dass die Natur der bevorzugten genannten
Rand- oder dem Rand benachbarten
Positionen zu dem hin tendiert, was in unserer obigen PCT und in
anderen Patentanmeldungen bereits angedeutet ist und typischerweise
als das Bereitstellen einer Kopplung mit mehreren oder sogar den meisten
Frequenzmoden angesehen wird, und dies eher mehr als weniger gleichmäßig, wobei
möglicherweise typischerweise
eine Dominanz von nur wenigen Frequenzmoden vermieden wird. Eine
solche Eignung kann sich auf eine eher niedrigere als höhere, lokal
in dem Plattenelement vorhandene totale tatsächliche Schwingungsgesamtenergie
beziehen, allerdings hoch im Sinne der Frequenzmodenpopulation,
d.h. eher als „tot" in dem Sinne von
wenig oder keiner Kopplung mit (einigen) Moden.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Es
wird nachfolgend eine spezifische Implementation der Erfindung schematisch
illustriert und beispielhaft mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen
beschrieben, in denen:
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1 eine
akustische Platte mit verteilten Moden mit einem montierten Wandler,
wie allgemein in der obigen PCT-Anmeldung beschrieben zeigt;
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2 eine
Umrissdarstellung von vier verschiedenen Möglichkeiten für eine randseitige
oder Randerregung einer akustischen Platte zeigt;
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3 mögliche Platzierungen
von Wandlern im Randbereich einer akustischen Platte zum Erzielen von
in 2 gezeigten Aktionen zeigt, und 3A zeigt
eine solche Platte transparent;
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4 mit
gestrichelten Linien vier favorisierte Randbereichsorte für Wandler
im Umriss bezüglich
eines inneren, gestrichelt wiedergegebenen Ortes aus 1 zeigt;
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5 dieselben
vier favorisierten Orte relativ zu einem anderen bevorzugten inneren
Antriebsort und einem favorisierten Paar des komplementären oder
gestrichelten inneren Antriebsortes zeigt;
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6 zeigt,
wie beliebige Paare und alle vier Antriebswandler an solchen favorisierten
Orten für
Tests miteinander verbunden wurden;
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7 einen
innerhalb von Randpositionen für
Treiberwandler, Klemmanschlüsse
und elastischen Aufhängungs/Montagepunkten
liegenden unverdeckten inneren Bereich zeigt;
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8A,B
Kurven von Ausgangsleistung/Frequenz für ein im Wesentlichen rechteckiges
Plattenelement mit recht hoher Steifigkeit und einzelnen Wandlerpositionen
entlang längerer
und kürzerer
Ränder
sind;
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9A,
B zugehörige
Balkendiagramme für
Messwerte der Glattheit der Ausgangsleistung sind;
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10A, B Kurven von Ausgangsleistung/Frequenz für zwei Wandlerpositionen
sind, von denen eine entlang kürzerer
oder längerer
Ränder
variiert wird;
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11A, B zugehörige
Balkendiagramme für
Messwerte der Glattheit der Ausgangsleistung sind;
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12A, B Kurven von Ausgangsleistung/Frequenz und
ein zugehöriges
Balkendiagramm der Leistungsglattheit für ein Plattenelement mit viel
geringerer Steifigkeit und einzelnen Wandlerpositionen entlang des
längeren
Randes sind;
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13A, B Kurven von Ausgangsleistung/Frequenz und
ein Balkendiagramm der Leistungsglattheit für zweite Wandlerpositionen
entlang des kürzeren
Randes sind;
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14 den
Vergleich von Leistungsausgängen
mit Wandlern zeigt, die sich vorzugsweise innen und am Rand für das Plattenelement
mit geringer Steifigkeit befinden;
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15A, B, C Effekte von Resonanzwänden, Dreirand-Einklemmen
und beidem zeigt;
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16A, B Kurven von Ausgangsleistung/Frequenz und
ein zugehöriges
Balkendiagramm der Leistungsglattheit für das Plattenelement mit geringer
Steifigkeit sind, das entlang dreier Ränder geklemmt ist und Wandlerpositionen
am vierten Rand hat;
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17A, B Kurven von Ausgangsleistung/Frequenz und
ein zugehöriges
Balkendiagramm der Leistungsglattheit für das Plattenelement mit geringer
Steifigkeit sind, das an zwei parallelen Randseiten geklemmt ist
und Wandlerpositionen an einem anderen Rand hat;
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18A, B Kurven von Ausgangsleistung/Frequenz und
ein zugehöriges
Balkendiagramm der Leistungsglattheit für das Plattenelement mit geringer
Steifigkeit mit örtlich
begrenztem Einklemmen an Ecken/Randmitten und Wandlerpositionen
an einem anderen längeren
Rand sind;
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19A ein Balkendiagramm der Leistungsglattheit
für das
Plattenelement mit geringer Steifigkeit mit weiterem örtlich begrenztem
Einklemmen zwischen einer anderen Ecke und einem Randmittelpunkt
ist;
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20A, B Kurven von Leistungsausgang/Frequenz und
einem zugehörigen
Balkendiagramm der Leistungsglattheit für den Fall mit Einklemmung
an drei Rändern
sind, beurteilt mit Normalisierung;
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21A, B Kurven von Leistungsausgang/Frequenz und
einem zugehörigen
Balkendiagramm der Leistungsglattheit für ein Plattenelement mit mittlerer
Steifigkeit und Einzelwandlerpositionen entlang des längeren Randes
mit Normalisierung sind;
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22A, B Kurven von Ausgangsleistung/Frequenz und
einem Balkendiagramm der Leistungsbeurteilung für das Plattenelement mit mittlerer
Steifigkeit mit örtlich
begrenztem Einklemmen an sieben Punkten sind, beurteilt ohne Normalisierung;
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23A, B ähnlich
sind, aber mit Normalisierung für
eine Leistungsglattheitsbeurteilung;
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24A, B eine Leistungsausgangskurve und ein Balkendiagramm
der Leistungsglattheit für
das Plattenelement mit mittlerer Steifigkeit und einer zweiten Wandlerposition
entlang des kürzeren
Randes sind;
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25 örtlich begrenztes
Einklemmen an sieben und dreizehn Punkten wie oben angewendet zeigt;
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26 ein
schematisches Diagramm ist, das zum Erläutern des Einflusses von wandlerinterner
Nachgiebigkeit nützlich
ist, und
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27A–E
Leistungseffizienz-Balkendiagramme für das Plattenelement mit geringer
Steifigkeit für unterschiedliche
Randbedingungen sind.
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BESCHREIBUNG
DER ILLUSTRIERTEN AUSGESTALTUNGEN
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In 1 ist
der akustische Plattenlautsprecher 10 mit verteilten Moden
wie in der WO97/09842 beschrieben, wobei das Plattenelement 11 eine
typische optimale Position nahe – aber versetzt von – der Mitte für den Treiberwandler 12 hat.
Die gezeigte Sandwich-Struktur mit Kern 14 und Häuten 15, 16 ist
lediglich beispielhaft, es bestehen zahlreiche monolithische und/oder
verstärkte
und andere Strukturmöglichkeiten.
In jedem Fall begrenzt die normale innere Wandlerplatzierung potentiell
den verfügbaren
freien Bereich, z.B. zur Übertragung
von Licht im Falle einer transparenten oder transluszenten Platte.
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Hauptsächlich transparente
oder transluszente akustische Plattenelemente mit Resonanzmoden könnten bekannte
transparente piezoelektrische Wandler verwenden, z.B. aus lanthandotiertem
Titanzirconat. Diese sind jedoch relativ kostspielig, und daher
der alternative Ansatz hierin, mit dem das akustische Plattenelement 10 mit
Resonanzmoden hauptsächlich
frei und unverdeckt bleibt, durch Optimieren des Lautsprecherdesigns
aus einer Auswahl aus vier in 2 gezeigten
Erregungstypen, die auf die Randbereiche oder den Umfang der Platte
gerichtet sind, und die als Typen T1–T4 bezeichnet sind, wie folgt:
T1-
Einleiten von Druckwellen in einen Rand (entlang 18A gezeigt) des
Plattenelementes 11 – möglich durch Trägheitsaktion
oder referenzebenenbezogene Treiberwandler;
T2 – Einführen von
transversalen Biegewellen entlang eines Randes (auch entlang 18A
gezeigt) des Plattenelementes 11 – möglich durch seitliches Auslenken
des Plattenrandes mittels Treiberwandlern mit Biegeaktion;
T3 – Anwenden
von Torsion auf das Plattenelement 11 wie über eine
Ecke zwischen den Rändern
18A, B gezeigt – möglich durch
die Aktion von Treiberwandlern des Biege- oder Trägheitstyps;
T4 – Erzeugen
einer linearen Auslenkung direkt an einem Rand des Plattenelementes 11 wie
am Rand 18B gezeigt – möglich am
lokalen Kontaktbereich durch Treiberwandler mit Trägheitsaktion.
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3 ist
eine teilgeschnittene Ansicht der Verbundplatte 11, die
Häute 15, 16 mit
hoher Zugfestigkeit und einen Strukturkern 14 mit Treiberwandlern/Erregern 31–34 für die oben
erwähnten
vier Typen T1–T4
von Rand-/Randbereichsantrieb zeigt. In der Praxis könnten weniger
als vier Treibertypen gleichzeitig an einer Platte zum Einsatz kommen,
die auf nützliche
Weise akustisch und mechanisch für
die gewünschte
Betriebsbandbreite und für
den jeweiligen verwendeten Antriebstyp optimiert sein können. So
kann eine optimierte Platte von einem oder mehreren der verschiedenen
Treibertypen angetrieben werden.
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Eine
transparente oder transluszente randgetriebene akustische Platte
könnte
monolithisch, z.B. aus Glas, oder aus einer Haut-Kern-Struktur mit
geeigneten transluszenten/transparenten Kern- und Hautmaterialien
sein (siehe 11). Eine Interpretation
mit einem Sichtanzeigegerät
(VDU) kann es ermöglichen,
den Schirm auch als Lautsprecher zu verwenden, er kann eine geeignet
hohe Biegesteifigkeit zusammen mit einer geringen Masse haben, wenn
er ein Paar Häute 15A, 16A umfasst,
die einen leichten Kern aus Aerogelmaterial 14A mit transparentem
Klebstoff 15B, 16B einschließen. Aerogelmaterialien sind äußerst leichte
poröse Feststoffmaterialien
wie z.B. Siliciumdioxid. Transparente oder transluszente Häute können eine
laminierte Struktur haben und/oder aus einem transparenten Plastikmaterial
wie Polyester oder aus Glas hergestellt sein. Konventionelle transparente
VDU-Schirme können
durch eine solche transparente akustische Strahlerplatte ersetzt
werden, auch mit akustischer Erregung außerhalb des unverdeckten Hauptschirmbereichs.
Ein besonderes geeignetes Silicaaerogel-Kernmaterial ist (RTM) BASOGEL
von BASF. Andere mögliche
Kernmaterialien sind unter anderem weniger bekannte aerogelbildende
Materialien wie Metalloxide wie z.B. Eisen und Zinnoxid, organische
Polymere, Naturgele und Kohlenstoffaerogele. Besonders geeignete
Plastikhautlaminate können
aus Polyethylenterephthalat (RTM) MYLAR oder anderen transparenten
Materialien mit den richtigen Dicken-, Modul- und Dichtewerten bestehen.
Aerogele mit sehr hohem Schermodul gestatten die Herstellung äußerst dünner Composite,
die für
Miniaturisierung und andere physikalisch wichtige Faktoren geeignet
sind und unter akustischen Prinzipien mit verteilten Moden arbeiten.
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Falls
gewünscht,
kann eine solche transparente Platte einer existierenden VDU-Platte
hinzugefügt werden,
z.B. eingebaut als integrierte Frontplatte. Für ein Display des Plasmatyps
wird das Innere auf niedrigem Gasdruck, nahe an Vakuum, gehalten
und hat eine sehr niedrige akustische Impedanz. Demzufolge gibt es
eine vernachlässigbare
akustische Interaktion hinter dem Schallstrahler, was in einer verbesserten
Leistung und der Einsparung der üblichen
Frontplatte resultiert. Für
Folien-Anzeigetechniken
kann das transparente Frontfenster wiederum unter Verwendung eines
Strahlers mit verteilten Moden hergestellt werden, während die
Anzeigestrukturen dahinter so dimensioniert und ausgelegt werden
können,
dass sie akustische Eigenschaften haben, die die Abstrahlung von
Schall von der Frontplatte unterstützen. So reduziert beispielsweise eine
partielle akustische Transparenz für die hinteren Anzeigestrukturen
eine Rückwärtswellenreflexion
und verbessert die Leistung für
das Lautsprecherelement mit verteilten Moden. Im Falle der leuchtanzeigenden Displays
können
diese auf die Rückseite
der transparenten Platte mit verteilten Moden aufgebracht werden, ohne
signifikante Beeinträchtigung
ihrer akustischen Eigenschaften, wobei die Bilder von der Frontseite
her betrachtet werden.
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Ein
transparenter Lautsprecher mit verteilten Moden kann auch für Rückprojektionssysteme
eingesetzt werden, bei denen er zusätzlich zu einem transluzenten
Schirm vorgesehen werden kann, oder diese Funktion kann an sich
in eine geeignet vorbereitete Fläche
für eine
Rückwärtsprojektion
eingebaut werden. In diesem Fall können Projektionsfläche und
Schirm praktischerweise und wirtschaftlicherweise, aber auch zum Optimieren
der akustischen Leistung, ein einziges Bauteil sein. Die hintere
Haut kann so gewählt
werden, dass sie ein projiziertes Bild aufnimmt, oder alternativ
können
die optischen Eigenschaften des Kerns zur Projektion gewählt werden.
So ist beispielsweise im Falle einer Lautsprecherplatte mit relativ
dünnem
Kern eine volle optische Transparenz möglicherweise nicht erforderlich
oder ideal, so dass alternative lichtdurchlässige Kerne gewählt werden
können,
z.B. andere Aerogelsorten oder wirtschaftlichere Substitute. Spezielle
optische Eigenschaften können
mit dem Kern und/oder der Hautoberfläche kombiniert werden, um direktionale
und die Helligkeit verbessernde Eigenschaften für die übertragenen optischen Bilder
zu erzeugen.
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Wo
der transparente Lautsprecher mit verteilten Moden eine exponierte
Frontfläche
hat, kann diese beispielsweise mit Hilfe von leitenden Flächen oder
Regionen verbessert werden, die für die Eingabe von Daten oder
Befehlen durch den Benutzer in den Bildschirm sichtbar oder transparent
sind. Die transparente Platte kann auch durch optische Beschichtungen
verbessert werden, um Reflexionen zu reduzieren und/oder die Kratzbeständigkeit
zu verbessern, oder einfach durch Antikratzbeschichtungen. Kern
und Haut für
die transparente Platte können
so gewählt
werden, dass sie eine optische Tönung
haben, für
eine Farbschattierung oder in einem neutralen Farbton, um die visuellen
Kontrastverhältnisse
für das
Display zu verbessern, das mit dem transparenten Plattenlautsprecher
mit verteilten Moden verwendet oder in diesen eingebaut ist. Bei
der Herstellung der transparenten Platte mit verteilten Moden kann
eine unsichtbare Verdrahtung, z.B. in Form von Mikrodrähten oder
transparenten leitenden Folien, zusammen mit Anzeigen wie z.B. Leuchtdioden
(LED) oder Flüssigkristallanzeigen
(LCD) oder dergleichen verbaut werden, so dass sie in die transparente
Platte integriert und danach geschützt werden können, wobei
diese Technik auch Beeinträchtigungen
der akustischen Leistung minimal hält. Es können auch Designs erzeugt werden,
bei denen keine totale Transparenz erforderlich ist, bei denen z.B.
nur eine Haut der Platte transparent ist, um die Sicht auf ein integriertes
Display unter dieser Oberfläche
zu ermöglichen.
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Die
Wandler können
je nach den Designkriterien wie Preis- und Leistungsüberlegungen
piezoelektrisch oder elektrodynamisch sein und sind in 3 als
einfache Umrisselemente dargestellt, die mit geeigneten Klebemitteln
einfach auf die Platte geklebt wurden. Für die obige Treibererregung
des T1-Typs ist ein Trägheitswandler 31 dargestellt,
der senkrecht gerichtete Druckwellen in die Platte 30 leitet.
Für den
obigen T2-Typ der Treibererregung ist ein Biegetyp des Wandlers 32 dargestellt,
dessen Funktion es ist, sich unmittelbar regional zu biegen, um
Biegewellen durch die Lautsprecherplatte 30 zu leiten.
Für die
obige Treibererregung des T3-Typs ist ein Trägheitswandler 33 dargestellt,
dessen Aufgabe es ist, die Plattenecke durch Treiben in die Diagonale
und von dort in die gesamte Lautsprecherplatte 30 auszulenken.
Für die
obige Treibererregung des Typs T4 ist ein Trägheitswandler 34 in
Block- oder Halbkreisform dargestellt, dessen Aufgabe es ist, einen Rand
der Lautsprecherplatte 30 auszulenken.
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Jeder
Erregungstyp bringt seinen eigenen charakteristischen Antrieb auf
die Platte 30 auf, was im Gesamtlautsprecherdesign einschließlich der
Parameter der Platte 30 selbst berücksichtigt wird. Die Platzierung der
Wandler 31–34 entlang
des Plattenrandes wird in der Praxis mit den Plattendesignparametern
für eine
optimale oder wenigstens funktionell akzeptable Modenverteilung
von Biegewellen wiederholt. Es ist vorgesehen, dass entsprechend
den Plattencharakteristiken, einschließlich z.B. solcher wie kontrollierter
Verlust, sowie den Orten und Typen von Randbereichs- oder Nahe-Rand-Antrieb,
mehr als ein Audiokanal auf die fragliche Platte 30 aufgebracht
werden kann, z.B. über
mehrere Treiberwandler. Dieses Mehrkanalpotential kann durch eine Signalverarbeitung
zum Optimieren der Tonqualität
und/oder zum Regeln der Schallabstrahlungseigenschaften und/oder
selbst zum Modifizieren der wahrgenommenen Kanal-zu-Kanal-Trennung
und der räumlichen
Effekte erhöht
werden.
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Besonders
zufriedenstellende Treiberwandlerorte entlang der Ränder eines
im Wesentlichen rechteckigen Plattenelementes sind an Randpositionen,
die von orthogonalen Seitenparallellinien oder Koordinaten durch
eine innere optimale oder bevorzugte Treiberwandlerposition gemäß unser
obigen PCT-Anwendung erreicht werden (siehe punktierte Linie bei 42 bis 45–48 in 4).
Es ist in der Tat praktisch, Treiberwandler an wenigstens zwei solcher
koordinatenbezogener Randpositionen 45–48 zu verwenden. 6 zeigt
phasengleiche serielle und serielle/parallele Verbindungen für zwei und
vier Treiberwandler bei A und B. Weitere Treiberverbindungen sind
möglich
und können
häufig
bevorzugt sein, einschließlich
direkter Einzel-zu-untereinander-Wandlereinrichtungen; und es kann
jede beliebige wünschenswerte
Signalkonditionierung angewendet werden, z.B. Differentialverzögerung(en),
Filterung usw., z.B. passend zur Reduzierung von unerwünschter
Interaktion zwischen Wandlern und/oder mit elektrischer Signalquelle
und favorisierten Treiberwandlerpositionen CP1–CP4 in 5 relativ
zum inneren bevorzugten Ort PL. Gepaart werden kann eine von jeder
Koordinate, d.h. CP1 und CP2, CP2 und CP3, CP3 und CP4, CP4 und
CP1, und eine erste favorisierte Paarung ist die, die imaginär den eingeschlossenen
Bereich definiert, der der größte ist
und in der Tat die geometrische Mitte X enthält. Ein solcher imaginärer Bereich
passiert natürlich
weiter durch oder enthält
andere gewöhnliche
optimale oder vorzugsweise innere Treiberwandlerpositionen, siehe
den komplementären
Ort CL und die Indikation bei CP5 und CP6 im Hinblick auf die erste
favorisierte Paarung von Treiberwandlerorten.
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Es
war interessant zu bemerken, dass für eine Platte mit sehr hohem
Q-Wert bevorzugte und bevorzugteste Paare von auf orthogonale Koordinaten
bezogenen Antriebsorten einen Niedenfrequenzausgang erzeugen können, der
ausgedehnter und gleichförmiger
sein kann sogar als frühere
bevorzugte innere Positionen, die viel näher an der Mitte liegen, wenn
auch mit einiger Variation im höherfrequenten
Bereich. Das Ansprechverhalten abseits der Achse ist dem bei höheren Frequenzen ähnlich,
aber tatsächlich
etwas symmetrischer als bei tieferen Frequenzen.
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7 zeigt
einen Plattenlautsprecher 80 mit einem inneren unverdeckten
Bereich 81, der sich über die
gesamten normalen inneren bevorzugten Treiberwandlerorte hinaus
erstreckt, und einen randseitig positionierten Wandler 82.
Der Bereich 81 kann für
direkte Anzeigezwecke dienen oder etwas repräsentieren, das von der Platte 80 getragen
wird, ohne Beeinflussung der akustischen Leistung, oder etwas, hinter
dem die Lautsprecherplatte 80 angeordnet ist, z.B. in dichtem
Abstand und/oder transparent oder transluzent. Sowohl Lautheit als
auch Qualität
lassen sich leicht verbessern, erstere durch klug platzierte zusätzliche
Treiberwandler (nicht dargestellt), und Qualität durch örtlich begrenzte Randeinklemmungen) 83,
um besondere Modenschwingungspunkte effektiv als Plattenabschlüsse zu steuern.
Die Platte 80 ist ferner mit örtlich begrenzten elastischen
Aufhängungen 84 geszeigt,
die neutral oder sogar vorteilhaft in Bezug auf die erzielte akustische Leistung
positioniert sind. Eine Hochpassfilterung 85 wird für Eingangssignale
zu(m) Treiberwandler(n) 82 bevorzugt, praktischerweise
für eine
Begrenzung auf den besten Wiedergabebereich, z.B. nicht unter 100
Hz für Platten
mit einer Größe von A4
oder dergleichen. Dann sollte es keine problematischen niederfrequenten
Platten-/Erregerschwingungen mehr geben.
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Es
ist im Hinblick auf die akustische Leistung vorteilhaft, die akustische
Impedanzbelastung der Platte 80 so zu regeln, dass sie
beispielsweise relativ niedrig in der randseitigen oder peripheren
Region ist, insbesondere in der Nähe des/der Treiberwandlers) 82,
wo die Oberflächengeschwindigkeit
dazu neigt hoch zu sein. Eine vorteilhafte solche Steuerung beinhaltet
ausreichend Freiraum zu lokalen planaren Elementen (z.B. etwa 1–3 cm) und/oder
Schlitzen oder anderen Löchern
im benachbarten Umfangsrahmen oder Tragvorrichtungen oder Grillelementen.
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Es
ist ferner möglich
und vorteilhaft, absichtlich eine solche mechanische Dämpfung zu
erzielen, die zu einer akustischen Modifikation einschließlich eines
Verlustes im Bereich 81 oder sogar auch randseitig davon
resultiert, der nicht verdeckt wird, wenigstens für höhere Frequenzen.
Dies kann durch eine Materialwahl, z.B. monolithisches Polycarbonat
oder eine acrylische und/oder geeignete Oberflächenbeschichtung oder laminierte
Konstruktion erfolgen. Die sich ergebende wirksame Konzentration
von akustischer Strahlung auf Randbereichsregionen um mehrere Treiberwandler
erleichtert insbesondere die Wiedergabe von mehr als einem Tonkanal,
wenigstens für
Nahfeldhören
wie z.B. zum Spielen von Computerspielen oder ähnliche Anwendungen mit örtlich begrenzter
virtueller Schallstufe. Weiter weg braucht ein Mischen selbst von
mehreren Schallquellen wie erregt nicht problematisch zu sein, wenn
sie summiert werden, wenigstens z.B. für audiovisuelle Präsentationen.
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Die
folgende Tabelle enthält
relevante physikalische Parameter von tatsächlichen, für die Untersuchung verwendeten
Plattenelementen, auf die sich die 8–24 beziehen.
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Die 8–11 betreffen das Plattenelement mit höherer Steifigkeit
der ersten Spalte, die 12–20 das Plattenelement mit weitaus geringerer
Steifigkeit der zweiten Spalte, und die 21–24 das Panelelement mit mittlerer Steifigkeit
der dritten Spalte.
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In
allen Kurven ist die akustische Ausgangsleistung (dB/W) die Ordinate
und die Frequenz die Abszisse, zeigen also die gemessene akustische
Ausgangsleistung in Abhängigkeit
von der Frequenz, typischerweise als echt geplottete punktierte
Linie. Die meisten Kurven zeigen auch eine obere Korrektur der echten
Leistungslinie. Wie in der Einleitung erwähnt, erfolgt diese Korrektur
durch Anwenden von Funktionen, die sich zu einer flachen geraden
Linie normalisieren, und erlaubt die Beurteilung der Resonanzmodalität frei von
häufig auftretenen
Effekten des Leistungsabfalls bei tieferen Frequenzen. Es wird festgestellt,
dass die Leistungsglattheit einen erheblichen Beitrag zur Tonqualität leistet.
Ausgehend von einem solchen normalisierten Wert des tatsächlichen
Leistungsausgangs ist es vorteilhaft, die Glattheit anhand einer
Umkehr der mittleren quadratischen Abweichung zu beurteilen, und
die meisten der Balkendarstellungen sind von diesem Typ.
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Das
Plattenelement mit höherer
Steifigkeit gemäß den 8–11 zeigt deutlich eine Präferenz für einzelne
Wandler an Positionen, die Koordinaten von inneren Wandlerorten
entsprechen, die zuvor als optimal festgestellt wurden, d.h. bei
etwa 3/7, 4/9 Länge
von einer beliebigen Ecke oder etwa 0,42–0,44. Es gibt jedoch erhebliche
Streuungen von vielversprechenden potentiellen Orten zwischen und
jenseits solcher Positionen für
jeden Rand, tatsächlich
innerhalb von etwa 10% und 15% in den mittleren Regionen von kürzeren bzw.
längeren
Rändern
und weiter innerhalb von 28% und 30% bei Viertellängenpositionen.
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Versuchspositionen
für eine
Wandleranordnung am Rand oder nahe dem Rand basieren wenigstens größtenteils
auf einer Beabstandung, die im Wesentlichen der Differenz zwischen
dem bevorzugten Koordinatenwert von 0,42 für einen inneren Wandlerort
und dem Mittelpunkt (0,5) des Randes ensprechen, wenn auch mit abwechselnden
Abständen,
die auf 0,09 erhöht
sind. Somit liegen gewöhnliche
Versuchsorte bei 0,08, 0,17, 0,28, 0,33, 0,42, 0,50.
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Man
ist weitgehend der Ansicht, dass die dargestellten Kurven und Balkendiagramme
im Wesentlichen selbsterklärend
sind und die besten und vermutlich vielversprechendsten Orte für Wandler
und für
ein örtlich
begrenztes Einklemmen zeigen, das zum Verbessern weniger vielversprechender
Wandlerorte möglich ist
(siehe 20).
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Was
eine Einzelwandleranordnung am Rand oder nahe dem Rand betrifft,
so zeigen auch die anderen beiden getesteten Plattenelemente mit
viel niedrigerer und mittlerer Steifigkeit dieselbe innere Koordinatenpräferenz auf
einer Leistungsglattheitsbasis (siehe 12 und 21). Das Plattenelement mit niedrigerer
Steifigkeit zeigt jedoch ein anderes Band mit fast genauso vielversprechenden
Orten im Bereich von etwa einer Viertel- bis unter eine Zehntellänge von
Ecken. Interessanterweise wird das obige Band, wenn die Beurteilung
auf Effizienz basiert, d.h. auf der Leistungsausgangsmenge – wie dies
für eine
Medianlinie durch den wahren Ausgangsleistungsplot als Basis für eine mittlere
quadratische Abweichung der Fall wäre – verdreht, um die Viertellängenposition
zu unterstreichen, und ist meistens gegenüber der inneren koordinatenbezogenen
Position bevorzugt (siehe Balkendiagramm der umgekehrten mittleren
quadratischen Abweichung von 27A).
Das Plattenelement mit mittlerer Steifigkeit tendiert in Richtung
auf die Charakteristik des Plattenelements mit höherer Steifigkeit, da es eine
vielversprechende Streuung zwischen den inneren bevorzugten Koordinatenpositionen
zeigt, aber auch etwa um die Einzehntellängenpositionen vielversprechend
ist.
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Aus
der Untersuchung der wahren Ausgangsleistungsplots durch Fachleute
tritt zutage, dass es Differenzen zwischen angezeigten besten und
brauchbaren Wandlerrandorten im Hinblick auf den Einfluss auf die
erwartete Tonwiedergabequalität
gibt – für die die
Modalität
normalerweise als signifikanter Faktor genommen wird, d.h. die Anzahl
und Gleichmäßigkeit
der Erregung von Resonanzmoden. Wenn Eigenschaften wie die Modalität als vielversprechender
für Orte
angesehen werden, die auf der Basis der Beurteilung der Glattheit der
Ausgangsleistung als bevorzugt angesehen werden, dann ist es natürlich möglich, Eingangssignale
in Richtung auf das zu verarbeiten, was nach der obigen Normalisierung
dargestellt ist – insbesondere
selektiv eine niedrige Frequenz in einer Form von Signalkonditionierung
oder -ausgleich zu verstärken.
Dadurch würde natürlich die
verfügbare
Leistung unter Verwendung von auf Effizienzbasis optimierten Orten
erreicht oder sogar überschritten;
aber offensichtlich nicht die Effizienz selbst, da mehr Eingangsleistung
nötig ist.
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Demgemäß wurden
andere Möglichkeiten
zum Erhöhen
der tieferfrequenteren Leistung wie oben angedeutet untersucht,
nämlich
die Verwendung von Schallwänden
und/oder eine selektive Beabstandung von lokaler Klemmung oder Vollrandklemmung.
Die 15A, B, C geben einen Hinweis
auf das im Allgemeinen günstige
Erhöhen
der tieferfrequenten Leistung für
umgebende Schallwände
mit einer Fläche
von mehr als 60% über
der der Platte mit geringer Steifigkeit, starre Klemmung aller drei
Ränder
ohne Wandlerort, sowie sowohl Schallwandbenutzung als auch Klemmung.
Eine solche Schallwandbenutzung neigt dazu, die Modalität beizubehalten,
ist aber in spezifischen Anwendungen nicht immer durchführbar. Demgemäß schien
eine volle Untersuchung der Klemmung für alternative Wandlerrandorte
für das
Plattenelement mit geringerer Steifigkeit lohnenswert. Ergebnisse
haben gezeigt, dass eine Beurteilung auf Effizienzbasis dazu tendierte,
den Viertellängenpunkt
sowohl für
Vollrandklemmen bei wirklich parallelen Rändern oder drei Rändern als
auch lokales 7-Punkt-Randklemmen an Ecken und Mittelpunkten wie
bei ‚X’ in 25 zu
unterstreichen, wobei der Rand der Wandleranordnung über seine
Länge ungeklemmt
ist (siehe Balkendiagramme der 27B,
C bzw. D). Eine 13-Punkt-Klemmung wie bei ‚X’ + ‚O’ in 25 verschob
den Schwerpunkt jedoch stark in Richtung auf die innere bevorzugte
Koordinatenposition. Die Beurteilung von Plattenelementen mit Klemmung
auf der Basis von Leistungsglattheit erzeugt im Wesentlichen dieselben
Ergebnisse für
die Angabe von besten Wandlerorten (siehe Balkendiagramme der 16A, 17B, 18B und 19), aber
mit erheblichen Differenzen in Bezug auf die nächstfavorisierten Positionen,
wie eine Untersuchung von echten Ausgangsleistungsplots allgemein
bestätigt.
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In
der Tat wird eine besonders starke allgemeine Korrelation zwischen
Präferenzen
auf der Basis einer fachmännischen
Untersuchung und Beurteilung gemäß der Glattheit
des Leistungsausgangs gefunden. Dies tendiert wiederum dazu, wenigstens
eine geringfügige
Präferenz
für eine
solche Beurteilung zu bestätigen,
es sei denn, dass es praktische Faktoren gibt, die zu einer Präferenz der
Effizienz anstatt Qualität
führt – auch wenn
dies vielleicht gar nicht so unterschiedlich ist.
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Wo
Uneinigkeit zwischen Beurteilungen auf der Basis von Leistungseffizienz
und Leistungsglattheit besteht, da sollte berücksichtigt werden, dass jedes
Plattenelement mit Klemmung von Ecken zum Rand, mit dem der Wandler
assoziiert ist, effektiv erzwungene Nullen an der Ecke hat. Daher
muss ein Abstand von bis zur halben Wellenlänge für betroffene Resonanzmoden
vorhanden sein, bevor eine Schwing ungsaktivität antinodale Peaks erreichen
kann. Wenn die Leistungsglattheitsbeurteilung eine Präferenz für einen
eckennahen Wandlerort andeutet, dann sollte sie mit Vorsicht behandelt
werden, da es sich um eine niedrige Leistung/Effizienz handeln könnte, obwohl
glatt aufgrund von Kopplung zu allen betroffenen Resonanzmodenwellenform können die
Anstiege in ihren Wellenformen recht klein sein. Somit wird empfohlen,
die entsprechende Leistungs-/Effizienzbeurteilung zu prüfen. In
der Tat ist das Optimum mit hoher Wahrscheinlichkeit wohl immer
dort, wo eine erhebliche Übereinstimmung
zwischen den beiden Beurteilungsbasen oder ein Kompromiss besteht, der
für eine
spezifische Anwendung besonders geeignet ist; und vorzugsweise unter
weiterer Berücksichtigung einer
fachmännischen
Untersuchung von Kurven von Leistung/Frequenz, vielleicht vorteilhafterweise
sowohl mit als auch ohne Normalisierung für Beurteilungszwecke.
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Für die untersuchten
Plattenelemente mit höherer
und mittlerer Steifigkeit gibt es ein erhebliches Maß an Einheitlichkeit
bezüglich
der besten Wandlerrandorte, aber mit recht ausgeprägter Differenz
in Bezug auf andere vielversprechende Orte. Das Plattenelement mit
viel geringerer Steifigkeit ist bedeutend weniger kritisch im Hinblick
auf vielversprechende Wandlerrandorte.
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Diese
Aussage wird noch deutlicher, wenn man mehr als ein Wandlermittel
in Verbindung mit Rändern desselben
Plattenelementes berücksichtigt.
Die Position für
eine erhöhte
Kopplung mit den Resonanzmoden eines Plattenelements wird von der
Komplexität
ihrer unweigerlich kombinierten Interaktion mit dem natürlichen
verteilten Resonanzschwingungsmuster des Plattenelements begleitet
und wird dadurch verstärkt,
dass ein solches verteiltes Schwingungsmuster nur an Plattenrändern zur
Verfügung
steht. Es gibt bemerkenswerte Abweichungen von einfachen Regeln
wie z.B. auf der Basis von Koordinaten eines festgestellten bevorzugten inneren
Wandlerortes. Die Beurteilungsprozeduren hierin ergeben jedoch wertvolle
Tools zum Ermitteln guter Kombinationen von randassoziierten Wandlerorten.
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Für die Platte
mit höherer
Steifigkeit in der obigen Tabelle, 10A, 11A, befindet sich eine Wandlereinrichtung an
einer Position innerhalb des Toleranzbereich von etwa 0,38–0,45 für die bevorzugte
Position von 0,42 für
eine Einzelwandlereinrichtung entlang des längeren Randes. Eine zweite
Wandlereinrichtung wird entlang des nächstliegenden kürzeren Randes
variiert, und 11A zeigt eine marginale Präferenz für die entfernteste
bevorzugte Position bei 0,42, d.h. um 0,58 zentriert, im Vergleich
zu mehreren anderen Positionen bei etwa Viertel-, Drittel- und Zweidrittellängen von
der gemeinsamen Ecke. Interessanterweise erzeugten das Fixieren
der zweiten Wandlereinrichtung an einer solchen bevorzugten Position
um 0,58 entlang des kürzeren
Plattenrandes und das Variieren des anderen Wandlers entlang des
längeren
Plattenrandes (siehe 10B, 11B)
beste und nächstbeste
Präferenzen
etwa an der Einfünftel-
(0,17) und der Viertellängenposition
entlang der längeren
Plattenrandes, die beide bessere Ergebnisse als die Startposition
(etwa 0,42) im Hinblick auf die Leistungsglattheit zeigen. Dies
ist eine Prozedur, die eindeutig auf iterative Weise weiter angewendet
werden kann, obwohl empfohlen wird, entweder oder sowohl Leistungs-/Effizienzbeurteilung oder/als
auch fachmännische
Untersuchung anzuwenden, besonders dann, wenn es keine Ortskonvergenz
in der Prozedur gibt oder wenn irgendeine angedeutete gute Position
in der Praxis weniger gut als erhofft ist (oder vorher in der Prozedur
war).
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Die 13A, B zeigen Untersuchungsergebnisse des Plattenelementes
mit viel geringerer Steifigkeit mit dem bevorzugten Wandlerort um
0,42 für
den längeren
Rand und einem zweiten Wandler, der entlang des nächsten kürzeren Randes
variiert wird. Es gab keine großen
Differenzen im Hinblick auf die Leistungsglattheitssteigerung, die
besten drei näherten
sich Ecken und der nächstliegenden
bevorzugten 0,42-Position, mit einer ansonsten allgemeinen Präferenz für Assoziationen
in einem Quadranten.
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Dieselbe
Untersuchung für
das Plattenelement mit intermediärer
Steifigkeit zeigt eine starke Präferenz für den bevorzugten
Wandlerort 0,42 im Nachbarquadranten, (tatsächlich 0,58), siehe 24A, B.
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Zurückkommend
zum Fall des Plattenelementes mit viel geringerer Steifigkeit sind
zwei Effekte zu sehen, die zu einer weitaus weniger gut definierten
besten/nahezu besten Erregerposition beitragen. Einer ist, dass
die Plattenmoden für
den Bereich von Frequenzen der Optimierung höher sind als für steifere
Plattenelemente. Das Plattenelement ist somit eine engere Annäherung an
ein Kontinuum, und die Glattheit der Ausgangsleistung ist weniger
abhängig
von der Wandlerposition, besonders den zweiten Wandlerpositionen.
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Der
andere Effekt betrifft die weitaus niedrigere mechanische Impedanz
des Plattenelementes, die zu einer weniger starken Abhängigkeit
von der Wandlerposition für
einen Energietransfer führt.
Der beteiligte Mechanismus wird nachfolgend erläutert.
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Die
mechanische Impedanz (Zm) eines Plattenelementes bestimmt die Bewegung,
die aus einer applizierten Punktkraft resultiert (siehe 100, 101 in 26).
Ein Objekt in Verbindung mit der Platte mit einer mechanischen Impedanz,
die wesentlich kleiner als, sogar nahezu vergleichbar mit, der Plattenimpedanz
ist, wird die Plattenbewegung dort stark verschieben, wo sich das
Objekt befindet. Das Assoziieren eines erregenden Wandlers des Typs
mit bewegter Spule mit der Platte ist äquivalent zum Verbinden der
Platte mit einer geerdeten Masse (Magnetbecher des Wandlers siehe 102) über eine
Feder (Schwingspulenaufhängung
des Wandlers siehe 108). Wenn die Impedanz einer solchen Feder zu
nahe an der Plattenimpedanz liegt, dann bestimmt dies zu einem gewissen
Teil die Plattenbewegung am Wandler. Da die Grenze dieser Feder
vollständig
die Punktbewegung am Wandler bestimmt, gibt es keine Abhängigkeit
von der Eingangsleistung auf die Erregerposition. In der Praxis
kann das Verhältnis
zwischen Federimpedanz zu Plattenimpedanz den besten Wandlerort
stark beeinflussen, und die Ergebnisse sind für beste/nahezu beste Wandlerorte
nicht mehr so klar.
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Diese
geringe mechanische Impedanz hat einen größeren Effekt für einen
Randwandlerort als für
einen inneren Wandlerort, da die mechanische Impedanz am Plattenrand
noch niedriger ist, was bedeutet, dass eine Wandler-Schwingspulenaufhängung einen
größeren Effekt
hat. Speziell gilt für
die Platte mit geringerer Steifigkeit in der obigen Tabelle:
Die
mechanische Impedanz im Körper
der Platte beträgt
Zmbody=2,7 Nsm–1,
die mechanische
Impedanz am Plattenrand beträgt
etwa die Hälfte
von Zmbody, d.h.: Zmedge=1,3 Nsm–1,die
Nachgiebigkeit der Schwingspulenaufhängung des verwendeten Wandlers
beträgt: Cms=0,52 × 10–3 mN–1
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Die
mechanische Impedanz auf jeder der Modalfrequenzen kann eine Größenordnung
niedriger sein als die durchschnittliche Impedanz Zmedge. Es ist
daher möglich,
eine typische Frequenz zu schätzen,
unterhalb derer der Erreger einen starken Effekt auf das Plattenelement
hat, z.B. dort, wo die Impedanz der Schwingspulenaufhängung etwa
ein Fünftel
der durchschnittlichen Impedanz am Plattenrand beträgt. Dann
ist:
und ergibt eine Schätzung von
1200 Hz, unterhalb derer Wandler und Platte gewollt gekoppelt sind,
was innerhalb des Optimierungsfrequenzbereiches liegt.
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Wenn
man den Wandler und ein Plattenelement mit einer solch niedrigen
mechanischen Impedanz als ein gekoppeltes System betrachtet, dann
bestimmt der Wandler teilweise die Impedanz des Plattenelementes, und
die Glattheit der Ausgangsleistung ist weniger abhängig von
der Position des Wandlers.
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Das
Wiederholen einer solchen Analyse für die Platte mit hoher Steifigkeit
ergibt eine entsprechende Frequenz von 130 Hz, was außerhalb
des Frequenzbereiches der Optimierung liegt.
