EP0868108B1 - Piezoelektrischer Lautsprecher - Google Patents

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EP0868108B1
EP0868108B1 EP98102000A EP98102000A EP0868108B1 EP 0868108 B1 EP0868108 B1 EP 0868108B1 EP 98102000 A EP98102000 A EP 98102000A EP 98102000 A EP98102000 A EP 98102000A EP 0868108 B1 EP0868108 B1 EP 0868108B1
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EP
European Patent Office
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piezo
diaphragm
flexural
piezoelectric loudspeaker
loudspeaker according
Prior art date
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EP98102000A
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English (en)
French (fr)
Other versions
EP0868108A2 (de
EP0868108A3 (de
Inventor
Ingo Dr.-Ing. Borchers
Kerstin Burckas
Klaus Renger
Engelbert Kusch
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Airbus Defence and Space GmbH
Original Assignee
EADS Deutschland GmbH
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Publication date
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    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; ELECTRIC HEARING AIDS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R17/00—Piezoelectric transducers; Electrostrictive transducers

Definitions

  • the invention relates to a piezoelectric loudspeaker according to the preamble of claim 1.
  • the object of the invention is therefore to provide a piezoelectric speaker with extremely low height.
  • piezo bending oscillators are used as the drive, which can be made extremely flat. These act with their free end on a flat membrane or a conical membrane, the cone is very flat (base angle less than 10 °). The position of the individual piezo bending oscillators to the membrane can be chosen freely.
  • An advantage of the invention is also that the individual Piezobiegeschwinger can be operated with different phase angles relative to each other. As a result, the frequency response of the speaker can be significantly improved.
  • a piezo bending oscillator consists of several cascaded piezo bending oscillators. This allows the hub or the force exerted on the membrane force can be increased.
  • a CRP sandwich membrane with Kevlar insert between sandwich core and cover layer is used as the membrane.
  • This CFRP sandwich membrane can be designed both as a flat membrane and as a flat cone. It has the advantage of a very high rigidity
  • FIG . It shows a loudspeaker according to the invention in plan view (bottom) and a sectional view along the line AA (top).
  • the rectangular piezo bending oscillators 3 are fastened on one side by means of clamping blocks 5 .
  • there are six bending vibrators 3 which are regularly distributed over the circumference of the round membrane 2 .
  • a bending oscillator comprises two layers which are glued together. These layers are driven in antiphase, which expands one layer and shortens the other. This leads to the desired deflection.
  • Teflon 7 spacers are used. By means of the holes 6 different free bending lengths are adjustable.
  • the clamping corresponds to that of a cantilever.
  • the membrane 2 itself is designed here as a flat cone.
  • the base angle ⁇ ie the angle between the base surface and the surface line of the cone, is less than 10 °.
  • the membrane is advantageously a CFRP sandwich construction. Because the carbon fiber fabrics used for the outer layers of the sandwich membrane Advantageously woven very coarse, is additionally laminated for sealing between the outer carbon fiber layer and the sandwich core an extremely fine woven Kevlar.
  • the membrane 2 designed as a CFRP sandwich structure has the advantage of high rigidity. This is further increased by the illustrated embodiment as a flat cone.
  • the membrane 2 is attached to the aluminum support plate 1 with a commercially available bead 8 .
  • a CFK hexagonal ring 4 is arranged, which is laminated to the membrane.
  • the CFK hexagonal ring 4 in turn is connected to the free end of the individual piezo bending oscillator 3 , for example glued.
  • Each edge of the polygon is associated with a piezo bending oscillator. Due to the hexagonal ring, a straight connecting line is achieved as a bearing surface for the piezo bending oscillators 3 and thus an improved introduction of force into the membrane. Another centering as usual with conventional speakers, is not required.
  • the bending vibrators can also be arranged such that they are instead directed radially outwards instead of radially inwardly as in the embodiment shown in the embodiment shown.
  • the clamping blocks are now arranged above or below the membrane, and the bending oscillators act as in the embodiment shown on the lateral surface of the conical membrane.
  • the individual piezo bending oscillators are not identical, but have e.g. in terms of stroke, width, thickness, manufacturers different characteristics. This results in another possibility. affect the frequency response of the speaker.

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  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Acoustics & Sound (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Piezo-Electric Transducers For Audible Bands (AREA)
  • Diaphragms For Electromechanical Transducers (AREA)

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Piezoelektrischer Lautsprecher nach dem Oberbegriff des Anspruch 1.
  • Beim herkömmlichen piezoelektrischen Lautsprechern wirkt ein einzelner, einseitig eingespannter Piezobiegeschwinger mit seinem freien Ende auf eine Pappmembran und lenkt diese aus. Ein derartiger Biegeschwinger ist z.B. beschrieben in Brockhaus, Naturwissenschaft und Technik, Mannheim Sonderausgabe 1989, Band 3, Seite 159. Da hierbei Partialschwingungen der Membran und Verformungen der Membran unerwünscht sind, muß diese möglichst steif sein, wozu üblicherweise eine steile Kegelform gewählt wird. Dieser Aufbau bedingt eine große Bauhöhe, die die Möglichkeiten der Plazierung, z.B. im Auto, stark einschränken.
  • Aus der Patentschrift US2521642, Massa, 1950, ist ein piezoelektrischer Lautsprecher bekannt, bei dem allerdings keine Piezobiegeschwinger eingesetzt werden und damit keine niedrige Bauhöhe erzielt werden kann.
  • Offenlegungsschrift DE2119892, Vorbrodt, 1972, offenbart einen piezoelektrischen Lautsprecher bei dem der Antrieb durch einen Piezobiegeschwinger realisiert wird. Dieses Dokument geht aber nicht auf die Aufgabe ein, wie eine flache Bauweise bei einer gleichzeitig erhöhten Ausgangsleistung zu erreichen ist. Zusätzlich weist dieses Dokument weder auf die Verwendung einer Mehrzahl von Piezobiegeschwingern noch auf die Gestaltung der Membrane hin.
  • Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, einen piezoelektrischen Lautsprecher mit extrem niedriger Bauhöhe zu schaffen.
  • Diese Aufgabe wird mit dem Gegenstand des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.
  • Erfindungsgemäß werden als Antrieb mehrere, einseitig festgelegte Piezobiegeschwinger eingesetzt, die extrem flach ausgebildet werden können. Diese wirken mit ihrem freien Ende auf eine Flachmembran oder eine kegelförmige Membran, wobei der Kegel sehr flach ausgebildet ist (Basiswinkel kleiner als 10°). Die Lage der einzelnen Piezobiegeschwinger zur Membran kann dabei frei gewählt werden.
  • Durch die erfindungsgemäße Bauweise können Bauhöhen kleiner als ca. 10 mm erreicht werden. Trotz dieser flachen Bauweise kann das Entstehen von Partialschwingungen der Membran vermieden werden.
  • Vorteilhaft an der Erfindung ist auch, daß die einzelnen Piezobiegeschwinger mit unterschiedlichen Phasenlagen relativ zueinander betrieben werden können. Dadurch kann der Frequenzgang des Lautsprechers wesentlich verbessert werden.
  • Durch die Möglichkeit, verschiedene freie Biegelängen für die einzelnen Piezobiegeschwinger einzustellen, lassen sich Einbrüche im Frequenzgang ausgleichen. Hintergrund hierfür ist die Tatsache, daß die Eigenfrequenz des Piezobiegeschwingers von seiner freien Länge abhängt. Eine Kombination von Piezobiegeschwingern mit verschiedenen freien Längen führt dazu, daß über einen breiten Frequenzbereich diese Eigenfrequenzen auftreten. Durch eine geschickte Abstimmung ist hierdurch eine einfache Möglichkeit zum Tuning des Frequenzganges des Lautsprechers gegeben.
  • In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform besteht ein Piezobiegeschwinger aus mehreren kaskadierten Piezobiegeschwingern. Dadurch kann der Hub bzw. der auf die Membran ausgeübte Kraft erhöht werden.
  • Vorteilhaft wird als Membran eine CFK-Sandwichmembran mit Kevlar-Einlage zwischen Sandwichkern und Deckschicht eingesetzt. Diese CFK-Sandwichmembran kann sowohl als Flachmembran als auch als flacher Kegel ausgebildet sein. Sie besitzt den Vorteil einer sehr hohen Steifigkeit
  • Die Erfindung wird anhand einer Fig. näher erläutert. Sie zeigt einen erfindungsgemäßen Lautsprecher in Draufsicht (unten) und eine Schnittdarstellung entlang der Linie AA (oben).
  • Auf einer Aluminiumgrundplatte 1 werden die rechteckigen Piezobiegeschwinger 3 mit Hilfe von Klemmklötzen 5 einseitig befestigt. In der gezeigten Ausführungsform sind sechs Biegeschwinger 3 vorhanden, die regelmäßig über den Umfang der runden Membran 2 verteilt sind. Ein Biegeschwinger umfaßt dabei zwei Schichten, die miteinander verklebt sind. Diese Schichten werden gegenphasig angesteuert, wodurch sich eine Schicht ausdehnt und die andere verkürzt. Dies führt zu der angestrebten Durchbiegung. Um die empfindlichen Biegeschwinger nicht zu beschädigen, werden Zwischenstücke aus Teflon 7 verwendet. Mittels der Bohrungen 6 sind verschiedene freie Biegelängen einstellbar. Die Einspannung entspricht dabei der eines Kragbalkens. Wird eine Spannung an den Piezobiegeschwinger 3 angelegt, verbiegt sich dieser, was zu einer Auslenkung der Membran 2 führt.
    Die Membran 2 selbst ist hier als flacher Kegel ausgeführt. Der Basiswinkel α, also der Winkel zwischen Grundfläche und Mantellinie des Kegels, ist kleiner als 10°. Die Membran ist vorteilhaft eine CFK-Sandwich-Konstruktion. Da die Kohlefasergewebe, die für die äußeren Schichten der Sandwichmembran verwendet werden, vorteilhaft sehr grob gewebt sind, wird zur Abdichtung zwischen der außenliegenden Kohlefaserlage und dem Sandwichkern zusätzlich eine extrem fein gewebte Lage Kevlar einlaminiert. Die als CFK-Sandwichstruktur ausgebildete Membran 2 hat den Vorteil einer hohen Steifigkeit. Diese wird durch die dargestellte Ausführung als flacher Kegel noch weiter erhöht.
  • Die Membran 2 ist mit einer handelsüblichen Sicke 8 an der Aluminiumträgerplatte 1 befestigt. An der Membran ist ein CFK-Sechskantring 4 angeordnet, der an die Membran anlaminiert ist. Der CFK-Sechskantring 4 wiederum ist mit dem freien Ende der einzelnen Piezobiegeschwinger 3 verbunden, z.B. verklebt. Dabei ist jede Kante des Vielecks ein Piezobiegeschwinger zugeordnet. Durch den Sechskantring wird eine gerade Verbindungslinie als Auflagefläche für die Piezobiegeschwinger 3 und somit eine verbesserte Krafteinleitung in die Membran erreicht. Eine weitere Zentrierung wie bei konventionellen Lautsprechern üblich, ist nicht erforderlich.
  • In einer weiteren, hier nicht dargestellten Ausführungsform der Erfindung können die Biegeschwinger auch derart angeordnet werden, daß sie mit ihrem freien Ende anstatt wie in der gezeigten Ausführung radial nach innen stattdessen radial nach außen gerichtet sind. Dabei sind die Klemmklötze nun über oder unterhalb der Membran angeordnet, und die Biegeschwinger wirken wie bei der gezeigten Ausführung auf die Mantelfläche der kegelförmigen Membran.
  • In einer anderen vorteilhaften Ausführung sind die einzelnen Piezobiegeschwinger nicht baugleich, sondern weisen z.B. im Hinblick auf Hub, Breite, Dicke, Hersteller unterschiedliche Eigenschaften auf. Damit ergibt sich eine weitere Möglichkeit. den Frequenzgang des Lautsprechers zu beeinflussen.

Claims (7)

  1. Piezoelektrischer Lautsprecher mit einer Membran (2) sowie einem Piezobiegeschwinger (3), wobei ein Ende des Piezobiegeschwingers festgelegt ist, und das andere Ende mechanisch auf die Membran wirkt, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein weiterer, mit einem Ende festgelegter und mit dem anderen Ende mechanisch auf die Membran (2) wirkender Piezobiegeschwinger (3) vorhanden ist, und die Membran (2) eine Flachmembran oder eine kegelförmige Membran mit einem Basiswinkel (α) kleiner als 10° ist.
  2. Piezoelektrischer Lautsprecher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die freie Einspannlänge der Piezobiegeschwinger (3) einstellbar ist.
  3. Piezoelektrischer Lautsprecher nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (2) eine CFK-Sandwichmembran mit Kevlar-Einlage zwischen Sandwichkern und Deckschicht ist.
  4. Piezoelektrischer Lautsprecher nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an der Membran (2) ein Vielkantring (4) angeordnet ist, der mit den freien Enden der Piezobiegeschwinger (3) verbunden ist.
  5. Piezoelektrischer Lautsprecher nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Piezobiegeschwinger (3) mit zueinander unterschiedlichen Phasenlagen betrieben werden können.
  6. Piezoelektrischer Lautsprecher nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Piezobiegeschwinger (3) aus mehreren kaskadierten Piezobiegeschwingern besteht.
  7. Piezoelektrischer Lautsprecher nach einem der vorangehenden Ansprüche, da-durch gekennzeichnet, daß zumindest zwei der Piezobiegeschwinger (3) einen unterschiedlichen Aufbau aufweisen.
EP98102000A 1997-03-26 1998-02-05 Piezoelektrischer Lautsprecher Expired - Lifetime EP0868108B1 (de)

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EP0868108A3 EP0868108A3 (de) 2005-06-15
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