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Die
Erfindung betrifft ein akustisches Element, das umfasst: eine beliebige
Anzahl von Lagen, wobei mindestens eine Lage mindestens eine poröse Lage
umfasst, die entweder elektrisch leitfähig ist oder mindestens auf
einer von ihren Oberflächen
so beschichtet ist, dass sie elektrisch leitfähig ist, und mindestens einen
Film, der entweder geladen oder mit mindestens einer elektrisch
leitfähigen
Oberfläche
versehen ist, wobei mindestens eine poröse Lage und ein Film so angeordnet
sind, dass sie im Wesentlichen nur an Trägerpunkten in Kontakt miteinander
kommen, wodurch ein Luftspalt zwischen der porösen Lage und dem Film bereitgestellt
wird.
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Die
WO-Veröffentlichung
97/31506 offenbart ein Platten-ähnliches
akustisches Element, das feste Statorplatten umfasst, wobei ein
Film an vorbestimmten Trägerpunkten
zwischen den Platten gesichert ist. Zwischen der Statorplatte und
dem Film sind schmale Luftspalte gelassen, die ermöglichen,
dass sich der Film 3 bewegt. Die Statorplatten und der
Film sind mit elektrisch leitfähigen
Oberflächen
versehen, so dass durch Anlegen von elektrischen Signalen an die
Oberflächen
der Film 3 veranlasst werden kann, sich zu bewegen, um
Schall zu erzeugen. Die Struktur ist einfach und weist einen sehr
gleichmäßigen Frequenzgang
auf, aber ihr Anwendungsgebiet ist etwas begrenzt, und, um einen
ausreichend hohen Luftdruck durch Verwendung eines sich bewegenden Films
zu erzeugen, wird ein ziemlich starkes elektrisches Feld erfordert.
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Die
AT-B-382 490 offenbart einen elektrostatischen Lautsprecher, umfassend
zwei Elektroden und einen Film zwischen den Elektroden. Es gibt
aus Zellgummi hergestellte elastische Teile zwischen dem Film und
einer Elektrode. Die
US 4 885
783 offenbart einen Wandler mit einer entgegengesetzten ersten
und zweiten leitfähigen
Platte zur Anlegung einer elektrischen Potenzialdifferenz dazwischen.
Ein elastomeres dielektrisches Material, wie z.B. Neoprenkautschuk,
ist zwischen den Platten und in Kontakt damit angeordnet.
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Ein
Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein akustisches Element
bereitzustellen, das ermöglicht,
dass die obigen Nachteile vermieden werden.
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Das
akustische Element der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass
die Trägerpunkte
auf eine solche Weise angeordnet sind, dass sich die durch den Film
in Bewegung versetzte poröse
Lage auf eine solche Weise bewegen kann, dass das akustische Element
seine Dicke im Wesentlichen gänzlich ändern kann.
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Eine
wesentliche Idee der Erfindung besteht darin, dass das akustische
Element eine beliebige Anzahl von Lagen umfasst, wobei mindestens
eine Lage eine poröse
Lage und einen Film, der in einem Abstand von der Lage angeordnet
ist, umfasst, wobei die poröse
Lage und der Film im Wesentlichen nur an spezifischen Trägerpunkten
miteinander in Kontakt kommen. Die poröse Lage ist entweder elektrisch leitfähig oder
mindestens auf einer von ihren Oberflächen beschichtet, so dass sie
elektrisch leitfähig
ist, und der Film ist aufgeladen oder mit mindestens einer elektrisch
leitfähigen
Oberfläche
versehen. Die Trägerpunkte,
an denen der Film und die poröse Lage
in Kontakt miteinander kommen, sind auf eine solche Weise angeordnet,
dass die ganze Struktur ihre Dicke ändern kann. Eine bevorzugte
Ausführungsform
beruht auf der Idee, dass das akustische Element mit einem elastischen
Oberflächenmaterial beschichtet
ist. Eine andere bevorzugte Ausführungsform
beruht auf der Idee, dass das akustische Element hermetisch abgedichtet
ist.
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Ein
Vorteil der Erfindung besteht darin, dass die Struktur des akustischen
Elements sehr leicht, kompakt, kostengünstig und leicht herzustellen
ist. Weiter, weil der Spalt zwischen der porösen Lage und dem Film ziemlich
klein ist, wird ein recht hoher Druck erhalten, indem eine ziemlich
niedrige Steuerspannung angelegt wird. Das poröse Material versieht das Element
mit einem großen
Luftfassungsvermögen,
wodurch die Luft, die durch den Film verlagert wird, imstande ist,
in die poröse
Lage einzudringen, was einen Gegendruck verringert und eine Bewegung
erhöht.
Die in die poröse
Lage eindringende Luft ruft Strömungsverluste
hervor, und deshalb gerät
die Struktur nicht stark in Resonanz. Weiter dämpft aufgrund der Strömungsverluste das
Material des Elements Schall auch auf passive Weise. Ein mit einem
elastischen Oberflächenmaterial
beschichtetes Element kann für
eine Anzahl von unterschiedlichen Anwendungen verwendet werden (z.B.
Fußböden). Ein
hermetisches Abdichten des Elements ermöglicht, dass es auch bei ziemlich
feuchten Bedingungen verwendet wird.
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Die
Erfindung wird in größerer Einzelheit
in den begleitenden Zeichnungen beschrieben.
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1 ist
eine schematische Schnittseitenansicht eines akustischen Elements
der Erfindung;
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2 ist
eine schematische Schnittseitenansicht eines anderen akustischen
Elements der Erfindung; und
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3 ist
eine schematische Ansicht einer dritten Ausführungsform der Erfindung.
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1 stellt
ein akustisches Element 1 dar, das eine Mehrzahl von porösen Lagen 2 umfasst. Eine
typische poröse
Lage ist z.B. 0,5 bis 1 mm dick, wobei ungefähr 70% der Lage Luft ist. Die
poröse Lage 2 kann
aus Cellulose, Glasfaser, Mineralfaser, Metallfaser oder durch Sintern
von Kunststoff- oder Metallpulver hergestellt sein. Die poröse Lage 2 ist entweder
elektrisch leitfähig
oder mindestens auf einer von ihren Oberflächen beschichtet, so dass sie elektrisch
leitfähig
ist, z.B. durch Beschichtung der Oberfläche durch Vakuumzerstäubung, um
eine Metallisierung 3 darauf bereitzustellen. Die Metallisierung 3 der
porösen
Lage 2 ist typischerweise etwa 40 Nanometer dick. Die Metallisierung 3 auf
der porösen Lage 2 ist
auch porös,
um zu ermöglichen,
dass Luft durch die poröse
Lage 2 und die Metallisierung 3 hindurchtritt.
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Das
akustische Element 1 umfasst weiter einen Film 4,
der zwischen den porösen
Lagen 2 angeordnet ist. Die poröse Lage 2 und der
Film 4 kommen nur an Trägerpunkten 5 miteinander
in Kontakt, wobei folglich ein Luftspalt 6 zwischen der
porösen
Lage 2 und dem Film 4 gebildet ist. Die Dicke
des Films 4 ist typischerweise etwa 5 Mikrometer und die
Breite des Luftspalts 6 entsprechend etwa 10 Mikrometer.
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1 stellt
eine Ausführungsform
dar, in der zwei Filme 4 übereinander angeordnet sind,
wobei eine Metallisierung 7, die typischerweise etwa 40
Nanometer dick ist, zwischen den Filmen angeordnet ist. Die Filme
sind aufgeladen, und sie können
z.B. aus Polypropylen, Polymethylpenten oder zyklischem Olefincopolymer
hergestellt sein. Die Filme 4 können weiter mit einer Blasenstruktur,
die flache Blasen umfasst, versehen sein.
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Die
porösen
Schichten 2 und die Filme 4 sind übereinander
angeordnet, um das akustische Element 1 mit einer geschichteten
Struktur zu versehen, wie in 1 dargestellt.
Steuerelektroden A sind mit den Metallisierungen 7 zwischen
den Filmen 4 und Masseelektroden B entsprechend mit den
Metallisierungen 3 der porösen Lagen 2 verbunden.
Die Trägerpunkte 5 sind
auf eine solche Weise angeordnet, dass der Film 4 nicht
an genau denselben Punkten auf entgegengesetzten Seiten des Films
an den porösen
Lagen 2 abgestüzt
wird. Als Folge ändert, wenn
ein Signal an die Steuerelektrode A angelegt wird, der Film 4 seine
Form. Da der Film 4 am Trägerpunkt 5 an der
porösen
Schicht 2 gesichert ist, bewegt sich die poröse Lage 2 ebenfalls,
und da sich die Trägerpunkte 5 an
unterschiedlichen Orten im akustischen Element befinden, kann das
akustische Element 1 seine Dicke im Wesentlichen gänzlich ändern.
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Ein
Druck P, der durch das akustische Element
1 hervorgerufen
wird, wird aus der folgenden Formel erhalten
wobei
- s
- die Breite des Luftspalts 6 ist,
- U
- die Spannung ist,
die über
dem Luftspalt 6 wirkt, und
- ε
- eine Dielektrizitätskonstante
eines Zwischenmediums ist.
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Da
die Breite s des Luftspalts 6 in dem betreffenden Element
sehr klein ist, braucht die Spannung U nicht sehr hoch zu sein,
um einen ziemlich hohen Druck P zu liefern.
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2 stellt
ein akustisches Element mit einer Mehrzahl von unterschiedlichen Lagen
dar, die übereinander
angeordnet sind. In der in 2 dargestellten
Ausführugsform
ist eine Seite des Films 4 im Wesentlichen gänzlich an
einer ersten porösen
Lage 2 gesichert. Die andere Seite des Films 4 ist
im Wesentlichen nur an den Trägerpunkten 5 an
einer zweiten porösen
Lage 2 gesichert, wobei sich zwischen der zweiten porösen Lage 2 und
dem Film 4 dann der Luftspalt 6 befindet. Wenn
sich der Film 4 bewegt, veranlasst er, dass sich die poröse Lage 2 auch
bewegt, an der er gesichert ist. Die Trägerpunkte 5 von aufeinanderfolgenden
Luftspalten 6 befinden sich an unterschiedlichen Orten,
wodurch ermöglicht
wird, dass das ganze akustische Element seine Dicke ändert.
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Die
Trägerpunkte 5 können z.B.
auf den porösen
Platten 2 gebildet werden, indem die Platten an geeigneten
Orten gepresst werden, um Beulen zu bilden. Die Orte der Trägerpunkte 5 können symmetrisch
oder zufällig
variieren, aber es ist wesentlich, dass die Trägerpunkte 5 von aufeinanderfolgenden Lagen
an im Wesentlichen unterschiedlichen Orten angeordnet sind.
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Ein
starkes elektrisches Feld verringert die elastische Konstante der
Struktur, d.h. aufgrund von Druck ändert sich die Dicke der Struktur
wesentlich mehr als ohne das elektrische Feld, wodurch das Dämpfungsvermögen der
Struktur wesentlich erhöht und
seine Resonanzfrequenz vermindert wird. Wenn die Steuerelektroden
A und die Masseelektroden B miteinander verbunden sind, kann die
Struktur auf eine Dämpfungsweise
arbeiten, wobei Steuerelektronik dann nicht benötigt wird. Zwischen den Steuerelektroden
A und den Masseelektroden B kann auch eine statische Vorspannung
angelegt werden, die ermöglicht,
dass die elastische Konstante der Struktur auf eine gewünschte Weise
gesteuert wird. Die Filme 4 können auch mit einer permanenten
Elektretladung versehen sein, wenn gewünscht. Die Vorspannung kann
durch einen Widerstand mit einem hohen Wirkwiderstand angelegt werden,
oder die Steuerelektrode A kann z.B. einen hohen Wirkwiderstand
aufweisen.
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3 veranschaulicht
das akustische Element 1, das mit einem elastischen Oberflächenmaterial 8 beschichtet
ist. Die Dicke des Oberflächenmaterials 8 kann
z.B. zwischen 0,1 und 10 mm liegen. Das Oberflächenmaterial 8 kann
z.B. ein Gummiläufer
sein, wobei das akustische Element 1 folglich z.B. als
ein Fußbodenbelag
anwendbar ist. Die Ränder des
akustischen Elements können
mit Dichtteilen 9 versehen sein, um das Element 1 hermetisch
abgedichtet zu machen. Auch kann die Steuerelektronik 10 im
Innern des akustischen Elements angeordnet sein. Das hermetisch
abgedichtete Element 1 kann in feuchten Bedingungen verwendet
werden, die sehr hohe Anforderungen stellen. Weiter kann das akustische
Element 1 in eine vorgeformte Bauplatte gefertigt werden,
wodurch ermöglicht
wird, dass es als ein Konstruktionselement verwendet wird. Das Oberflächenmaterial 8 kann
im Wesentlichen luftundurchlässig
sein, weil das ganze akustische Element 1 seine Form ändern und
dadurch Schall erzeugen kann, obwohl es keine Luft durch es hindurchlässt. Das
fragliche akustische Element kann z.B. für Schalldämpfungszwecke verwendet werden
(z.B. als Fußbodenmatten
in Wagen). Indem die Masse des Oberflächenmaterials 8 erhöht wird,
kann das Dämpfungsvermögen des
akustischen Elements 1 gesteigert und die Resonanzfrequenz
weiter vermindert werden.
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Die
Zeichnungen und die in Beziehung stehende Beschreibung sollen die
erfinderische Idee nur veranschaulichen. Die Einzelheiten der Erfindung können im
Umfang der Ansprüche
variieren. Das akustische Element 1 kann eine beliebige
Anzahl von Lagen umfassen. Um Schall zu erzeugen, werden mindestens
eine poröse
Lage 2 und mindestens ein Film 4 benötigt. Statt
zweier geladener Filme 4 und der Metallisierung 7 zwischen
ihnen, die in der Ausführungsform
von 1 dargestellt sind, kann ein Film mit polarisierter
Ladung verwendet werden (d.h. ein Film mit einer positiven Ladung
auf einer Seite und einer negativen Ladung auf der anderen), wobei die
Steuerspannung dann zwischen den Oberflächen der porösen Lagen 2 angelegt
wird. Der Film 4 muss nicht aufgeladen werden, wenn mindestens
seine Oberfläche
elektrisch leitfähig
ist. Das akustische Element der Erfindung kann in verschiedenen
Anwendungen verwendet werden, die zur Tonwiedergabe und aktiven
Geräuschminderung
in Beziehung stehen. Das akustische Element oder einige von seinen
Lagen können
z.B. als Sensoren in akustischen Systemen verwendet werden, während gleichzeitig die
anderen Lagen als Aktuatoren verwendet werden können.
