EP3005725A1 - Tellerfeder-schallwandler - Google Patents

Tellerfeder-schallwandler

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EP3005725A1
EP3005725A1 EP14730825.8A EP14730825A EP3005725A1 EP 3005725 A1 EP3005725 A1 EP 3005725A1 EP 14730825 A EP14730825 A EP 14730825A EP 3005725 A1 EP3005725 A1 EP 3005725A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
sound transducer
spring
housing
sound
volume
Prior art date
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Granted
Application number
EP14730825.8A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP3005725B1 (de
Inventor
Karlheinz Bay
Michael Leistner
Philipp LEISTNER
Waldemar MAYSENHÖLDER
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV filed Critical Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Publication of EP3005725A1 publication Critical patent/EP3005725A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP3005725B1 publication Critical patent/EP3005725B1/de
Not-in-force legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

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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
    • H04R1/00—Details of transducers, loudspeakers or microphones
    • H04R1/20—Arrangements for obtaining desired frequency or directional characteristics
    • H04R1/22—Arrangements for obtaining desired frequency or directional characteristics for obtaining desired frequency characteristic only 
    • H04R1/28—Transducer mountings or enclosures modified by provision of mechanical or acoustic impedances, e.g. resonator, damping means
    • H04R1/2803—Transducer mountings or enclosures modified by provision of mechanical or acoustic impedances, e.g. resonator, damping means for loudspeaker transducers
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; ELECTRIC HEARING AIDS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R7/00—Diaphragms for electromechanical transducers; Cones
    • H04R7/02—Diaphragms for electromechanical transducers; Cones characterised by the construction
    • H04R7/04—Plane diaphragms
    • H04R7/06—Plane diaphragms comprising a plurality of sections or layers
    • H04R7/10—Plane diaphragms comprising a plurality of sections or layers comprising superposed layers in contact
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; ELECTRIC HEARING AIDS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R7/00—Diaphragms for electromechanical transducers; Cones
    • H04R7/16—Mounting or tensioning of diaphragms or cones
    • H04R7/24—Tensioning by means acting directly on free portions of diaphragm or cone

Definitions

  • the application relates to a sound transducer for the generation and recording of
  • Silencers with required low-frequency sound generation a critical parameter.
  • the sound-proof housing causes size and cost and it takes up space, which is often not available.
  • Such an oriented manipulation of the normally air-filled housing constitutes the generation of a vacuum by evacuation, e.g. DE 100 58 698 A1, in order to reduce the stiffness of the air spring in the rear housing volume.
  • acoustically targeted approach of cavity evacuation has also been used in acoustic resonant bodies (Bschorr, O., Laudien, E.: The Silator - a Small Volume Resonator, Journal of Sound and Vibration 1992, 1, 58, pp. 81-92. ) tracked.
  • the reduced stiffness of the air spring is in the foreground, albeit in the
  • Difficulty is also a location-dependent fluctuation of the external pressure to observe, which brings with the same internal pressure, a location-dependent pressure difference as well.
  • a sensor alone in the case can not do this.
  • the achievable reduction in case depth can in some cases justify the overall effort. This underlines at least the attractiveness and importance of flat loudspeaker cabinets in certain applications.
  • a loudspeaker arrangement with a low volume contains a large area, flat and lightweight membrane assembly which can oscillate at a resonant frequency of a few hertz. This is achieved through a vacuum chamber in conjunction with a chamber containing compressed air or compressed vapor. This chamber acts on a movable pressure boundary with variable area, which is mechanically coupled to the acoustically radiating membrane. In an alternative mode of operation, the arrangement also serves as a passive damper for low frequency sound.
  • WO 2009/082 060 A1 discloses a membrane for electroacoustic sounders and an electroacoustic sound generator with a membrane.
  • the diaphragm is coupled to a coil in the central region and in the edge region to the open end of a housing.
  • the membrane can vibrate depending on a magnetic flux formed in a space surrounded by a magnet and a top plate.
  • the magnetic flux is formed by applying alternating current signals to the coil.
  • the membrane further includes a support member which is secured to a surface of the membrane to prevent the membrane from reacting very strongly to external forces.
  • An annular support projection is mounted in the middle region of a surface of the support member to hold the coil in the correct position.
  • the object of the invention is an improved transducer with reduced
  • a sound transducer having a housing enclosing a volume and wherein at least one surface or sub-surface is formed by a vibrationally supported sheet, with a drive unit for the vibratory supported sheet and wherein the volume is evacuable is.
  • Characteristic of the transducer is that the oscillating mounted
  • Sheet is formed as part of a spring assembly, wherein the spring assembly is in an untensioned or barely tensioned state when in volume
  • Ambient pressure or near ambient pressure has a sufficiently high spring stiffness to the pressure difference in the evacuation of the
  • Case occurs to withstand, and has a lower spring stiffness when the housing is evacuated, so that the vibratory bearing sheet can be excited with little effort to vibrate.
  • the oscillatingly supported sheet can form the spring arrangement itself or can be part of a spring arrangement, that is, other resilient parts are present. If ambient pressure or almost ambient pressure is present in the volume, as a rule, no forces act on the spring arrangement.
  • the spring assembly is in an untensioned or hardly
  • evacuation as is common practice, is understood to mean any appreciable drop in pressure relative to ambient pressure and not just near-total evacuation. Since it is only important that vibrations can be stimulated more easily, it is usually sufficient to evacuate to a pressure of less than 100 mbar. At this point should be mentioned that it should be sufficient in the normal case, the vacuum once in the production of
  • the desired low spring stiffness in the evacuated state is not solely in the interest of a low expenditure of force. Rather, it is about the vibration characteristics, which should also allow low-frequency vibrations. To avoid misunderstandings, it should be pointed out that the spring stiffness indicates the ratio of the force required for a deflection to deflection.
  • the spring arrangement is a disc spring or an arrangement of a plurality of disc springs.
  • Disc springs usually have the desired characteristics described above. Such springs are common.
  • the "plate” of the spring it is possible for the "plate" of the spring to form the membrane,
  • the volume evacuated is
  • vibrationally supported sheet material as far as no force is exerted on the sheet apart from the force exerted by the pressure difference, largely in one plane. This often results from the characteristics of the Disc springs, which has a low spring stiffness in one layer largely in one plane, ie in a flat state.
  • the vibratory mounted In one embodiment of the invention, the vibratory mounted
  • the membrane has multiple layers, which layers may have different functions. So at least one layer must fulfill the task of ensuring the vacuum tightness. Other layers can contribute to spring characteristics. Also functions like light absorption and light reflection can be fulfilled.
  • actuators and / or sensors are integrated in and / or on the oscillatory sheet.
  • Actuators are transducers or actuators often referred to as actuators due to the term "actuator.” Actuators translate electrical signals from, for example, a control computer into mechanical motion or other physical quantities sensors have the opposite tasks and record different physical quantities in order to convert them into an electrical signal. The function of the actuator and the sensor is often fulfilled by a component
  • Bending transducers which can be designed as piezoelectric elements. For example, it would be possible to detect incident sound.
  • the described actuators and / or sensors may form a layer of the membrane, as stated several
  • Layers can have.
  • Sound transducer is, this could be compensated by actuators to continue to have a rest position with low spring stiffness.
  • the actuators can also be used to compensate for external pressure changes. This is to think of changes in ambient pressure through the use of different levels or weather-related pressure changes. Also, pressure changes can result from the use at different points in technical systems. Thus, a pressure could prevail below the usual atmospheric pressure in the environment, as is usual in an environment with gases that should not escape into the environment. There may also be an increased external pressure, such as in chimneys or pipes. Furthermore, pressure fluctuations can be compensated by an external sound field, such as a sound to be damped. Such pressure fluctuations are clearly much more dynamic than the previously described.
  • the actuators can also drive the vibratory fabric to vibrate.
  • the actuators can be arranged at the edge of the sheet.
  • the housing provides fixed counterparts, so that the counterforce necessary for the drive can be provided.
  • this is a kind of active suspension of the fabric
  • the sound transducer for detecting a sound can be used, in particular for detection for the purpose of active damping of the sound. If the vibrationally supported fabric is not otherwise excited, the vibration can be used to deduce an external sound field. The sound can be detected through the described sensors. But it is also possible for other vibration excitation, such as by the described actuators, to detect incident sound, of course, a suitable signal evaluation is required.
  • a plurality of vibrationally supported sheets are mounted in a housing.
  • a housing such as a pillbox.
  • the packaging can be thought of as a common housing. This may include a common volume or a plurality of subdivided individual volumes. It is a variety of
  • vibrationally supported fabrics so usually a variety of membranes arranged. This can be achieved with little effort a large number of vibrationally mounted fabrics and thus a corresponding sound excitation, or in the case of active sound attenuation, appropriate sound attenuation.
  • an arrangement with a plurality of above-described sound transducers is also conceivable. This increases the effects of a single arrangement. By appropriate arrangement, more than a mere addition of effects can sometimes be achieved.
  • the arrangement is formed by side-by-side and / or rear-side arranged sound transducers, resulting in particular planar or curved arrangements.
  • Fig. 1 is a schematic representation of the diaphragm spring transducer according to the invention, consisting of diaphragm spring diaphragm 1 with a
  • Cavity 4 and pneumatic valve opening 5 in the state before or during the evacuation.
  • Fig. 2 is a schematic representation of the diaphragm spring transducer according to the invention as shown in Fig. 1 after the evacuation.
  • Fig. 3 is a schematic representation of the disc spring transducer according to the invention as shown in Fig. 2 with adaptive sensor-actuator combinations 6 on the plate spring diaphragm 1 for correcting deviating from the flatness of the diaphragm spring diaphragm deflection due to change in external pressure.
  • Fig. 4 is a schematic representation of the disc spring transducer according to the invention as shown in Fig. 2 but as a plan view.
  • FIG. 1 shows a sheet-like membrane 1 designed as a correspondingly shaped, vibrationally supported sheet.
  • the surface of the membrane is closed and provided with a vibration drive 2 and the associated electrical connections.
  • a flat, soundproof housing 3 connects, which forms an evacuable cavity 4 for an enclosed volume together with the diaphragm spring diaphragm 1.
  • the housing 2 may have a pneumatic valve opening 5 for targeted evacuation of the cavity 4 during manufacture or for adaptation to changing external conditions.
  • the diaphragm spring diaphragm 1 can be by means of material and geometry, for. B. in the manner of a spherical cap with curved edge formations for a sliding transition to the surrounding housing surface, so dimensioned that they at a certain, beyond the linear range outgoing force or pressure difference in a nearly flat position, the flatness, ie a position largely in a level, but without breaking through.
  • the diaphragm spring diaphragm enters a curved into the housing 3 in the state and would remain there without exerting force.
  • the flatness can be seen in Figure 2.
  • a kind of floating state is given, in which a small amount of mechanical (alternating) force can easily achieve a relatively large deflection.
  • the diaphragm spring diaphragm 1 offers almost no resistance. Exactly this corresponds to the desire of a sound transducer, with a comparatively weak drive system, a comparatively large diaphragm deflection or
  • Disc spring transducer connected to the described use of a diaphragm spring diaphragm 1.
  • Disc springs are by their initially great spring stiffness able to absorb large forces in a small space. Their spring characteristic can be made relatively free by material and shape adaptation. As is known, for the diameter, the spring travel to plate spring thickness and outer diameter
  • Plate spring thickness usable as well as material characteristics. Unless it is a round spring, but about an elliptical or rectangular arrangement, which is not to assign a diameter, also enters the appropriate dimension. In addition to linear, so can degressive and progressive characteristics with a non-constant spring stiffness realize. Likewise, the experience is long
  • the diaphragm spring diaphragm 1 can be produced industrially without problems together with the housing 3. Different methods are possible. Constructional overhead, such. B. for beads or centering, is avoided because it is already given functionally by the intrinsic properties of the diaphragm spring diaphragm 1.
  • the hermetic closure of the overall system as well as the metallic or metallised materials make it possible to create robust, hygienic sound transducers which are required in certain fields of application. Only the electrical connections represent a connection to the outside.
  • the area-related mass of the diaphragm spring diaphragm 1 is important here also results in an easily manageable freedom of design.
  • Embodiments of the diaphragm spring transducer according to the invention result, for example, from the optionally required adaptation to a changing external pressure, for example when used in active silencers for
  • sensor-actuator combinations 6 connected to the plate-spring diaphragm 1 are suitable, as can be seen in FIG. 3, for example in the manner of active, quasi-static bending transducers, in conjunction with a simple one
  • Control system Changes the deflection of the sensor-actuator combinations 6 with respect to a reference state, for. As the flatness of the diaphragm spring diaphragm 1, the deflection is actuarially corrected.
  • the sensor-actuator combinations 6 may additionally be arranged as described at the edge of the membrane 1 and form the vibration drive 2, d. H. both for a static adjustment of the flatness and for the dynamic
  • Disc spring transducers combined to flat or curved surfaces and thereby be controlled the same or different.
  • the integration of individual or more inventive disc spring transducers in or on devices, eg. B. Computers, monitors and communication devices, machines, vehicles, airplanes or other equipment and facilities is advantageous due to the space-saving designs.
  • Another application of the diaphragm spring transducer according to the invention which also benefits from the planar and flat design, relates to the recording of sound vibrations.
  • the diaphragm spring diaphragm 1 is excited by external sound fields to vibrate and the vibration drive 2 or the sensor actuator combinations 6 convert these oscillatory movements into electrical energy or other usable signals. Almost all previously mentioned functions and advantages are equally applicable here.

Landscapes

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Abstract

Vorgestellt wird ein Schallwandler, mit einem Gehäuse (3), welches ein Volumen (4) umschließt und bei dem mindestens eine Fläche oder eine Teilfläche durch ein schwingungsfähig gelagertes Flächengebilde (1) gebildet ist, wobei eine Antriebseinheit (2) für das schwingungsfähig gelagerte Flächengebilde vorhanden ist und wobei das Volumen (4) evakuierbar ist. Der Schallwandler zeichnet sich dadurch aus, dass das schwingungsfähig gelagerte Flächengebilde (1) als Teil einer Federanordnung gebildet ist, wobei die Federanordnung in einem ungespannten oder kaum gespannten Zustand ist, wenn im Volumen Umgebungsdruck oder nahezu Umgebungsdruck vorhanden ist, eine hinreichend hohe Federsteifigkeit besitzt, um dem Druckunterschied der bei einer Evakuierung des Gehäuses (3) auftritt, standzuhalten, und eine niedrigere Federsteifigkeit aufweist, wenn das Gehäuse (3) evakuiert ist, so dass das schwingungsfähig gelagerte Flächengebilde (1) mit niedrigem Kraftaufwand zu Schwingungen angeregt werden kann.

Description

Patentanmeldung:
Tellerfeder-Schallwandler
Anmelderin:
Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Die Anmeldung betrifft einen Schallwandler zur Erzeugung und Aufnahme von
Schallwellen, wobei das schwingungsfähig gelagerte Flächengebilde eine gewünschte Federcharakteristik aufweist.
Stand der Technik Die Gehäusetiefe von Lautsprechern ist in vielen Anwendungsfällen, z. B. bei aktiven
Schalldämpfern, mit geforderter tieffrequenter Schallerzeugung ein kritischer Parameter. Das schalldicht zu gestaltende Gehäuse verursacht größenabhängig Aufwand und Kosten und es beansprucht Platz, der oftmals nicht vorhanden ist. Zur Reduzierung der Gehäusetiefe von Lautsprechern ohne Einbußen bei der tieffrequenten Schallerzeugung gibt es daher zahlreiche Lösungsvorschläge. Sie zielen auf modifizierte Membranen, Antriebssysteme und Ausgestaltungen des Gehäuses.
Eine derartig ausgerichtete Manipulation des normalerweise luftgefüllten Gehäuses stellt die Erzeugung eines Unterdruckes mittels Evakuierung dar, z.B. DE 100 58 698 A1 , um die Steifigkeit der Luftfeder im rückseitigen Gehäusevolumen zu reduzieren. Der mit akustischer Zielsetzung verfolgte Ansatz der Hohlraum-Evakuierung wurde ebenfalls in akustischen Resonanzkörpern (Bschorr, O., Laudien, E. : The Silator - a Small Volume Resonator. Journal of Sound and Vibration 1992, 1 58, S. 81 bis 92.) verfolgt. Auch dort steht die reduzierte Steifigkeit der Luftfeder im Vordergrund, allerdings im
Zusammenhang mit einem konventionellen Helmholtz-Resonator. Der Ansatz zielt auf Schallminderung, z.B. Schallabsorption und -dämmung, und nicht auf Schallerzeugung, so dass akustisch aktive Elemente fehlen. Bei Wandlern zur Schallzeugung verursacht die Differenz zwischen Außen- und
Innendruck jedoch eine statische Auslenkung der ebenen oder konusförmigen Membran, die sich in mehrfacher Hinsicht negativ auf die erreichbare Schallabstrahlung auswirkt, z. B. durch den asymmetrischen dynamischen Auslenkungsbereich der Membran. Deshalb wird neben einem elektrodynamischen Antrieb für die Wechselschwingungen der Membran eine mittels Magnetfeld erzeugte Korrektur dieser statischen Auslenkung vorgeschlagen. Die Feldkraft wirkt der statischen Druckkraft entgegen und kompensiert diese. Allerdings sind je nach Membranfläche und Innendruck erhebliche Magnetfelder zu erzeugen, die wiederum einen entsprechenden Aufwand mit sich bringen. Darüber hinaus muss zwischen Druckkraft und (Magnet-) Feldkraft eine Relation fest ermittelt oder durch einen Sensor, etwa einen optisch oder pneumatisch arbeitenden Sensor, regelbar gestaltet werden. Nur so lässt sich die gewünschte Membranposition einstellen. Kommt ein Sensor zum Einsatz, ist aber auch ein entsprechendes Regelungssystem, zum Beispiel eine Signalverarbeitung, erforderlich. Als bislang unerwähnt bleibende
Schwierigkeit ist dabei auch eine ortsabhängige Schwankung des Außendrucks zu beachten, die bei gleichem Innendruck eine ebenso ortsabhängige Druckdifferenz mit sich bringt. Ein Sensor allein im Gehäuse kann dies nicht bewerkstelligen. Dennoch wird festgestellt, dass die erreichbare Verringerung der Gehäusetiefe den Gesamtaufwand in manchen Fällen rechtfertigen kann. Das unterstreicht zumindest die Attraktivität und Bedeutung flacher Lautsprechergehäuse in bestimmten Anwendungsfällen.
Über die Praktikabilität von Lautsprechern entscheiden aber nicht nur akustische
Eigenschaften und flache Bauformen. Auch ihr Herstellungs- und Montageaufwand, die Betriebsfestigkeit und ihre effiziente Integration innerhalb der Anwendung sind auf Grund der Kostenwirksamkeit mitentscheidend. Dies ist einer der Gründe für die nahezu ausschließliche Verwendung elektrodynamischer Antriebe für Lautsprecher. Die Lösung der vielfach miteinander verknüpften Probleme ist daher die zentrale Aufgabe, um für die praktische Anwendung optimierte Schallwandler zur Erzeugung und Aufnahme von Schallschwingungen zu ermöglichen.
Aus der US 7,885,418 B 1 ist eine Lautsprecheranordnung mit niedrigem Volumen bekannt. Diese enthält eine großflächige, flache und leichte Membrananordnung, welche mit einer Resonanzfrequenz von wenigen Hertz schwingen kann. Dies wird erreicht durch eine Vakuumkammer in Verbindung mit einer Kammer, die komprimierte Luft oder komprimierten Dampf enthält. Diese Kammer wirkt auf eine bewegliche Druckgrenze mit veränderlicher Fläche, die mit der akustisch strahlenden Membran mechanisch gekoppelt ist. In einem alternativen Betriebsmodus dient die Anordnung auch als ein passiver Dämpfer für niederfrequenten Schall.
Aus der WO 2009/082 060 A1 ist eine Membran für elektroakustische Schallgeber und ein elektroakustischer Schallgeber mit einer Membran offenbart. Die Membran ist im mittleren Bereich mit einer Spule gekoppelt und im Randbereich mit dem offenen Ende eines Gehäuses. Damit kann die Membran abhängig von einem magnetischen Fluss schwingen, der in einem Raum umgeben von einem Magnet und einer oberen Platte ausgebildet wird. Die Ausbildung des magnetischen Flusses erfolgt durch Anlegen von Wechselstromsignalen an der Spule. Die Membran enthält ferner ein Stützelement, welches an einer Oberfläche der Membran befestigt ist um die Membran an einer sehr starken Reaktion auf externe Kräfte zu hindern. Ein ringförmiger Stützvorsprung ist im mittleren Bereich einer Oberfläche des Stützelements angebracht um die Spule in der richtigen Position zu halten.
Aufgabe der Erfindung ist es einen verbesserten Schallwandler mit reduzierter
Gehäusetiefe zu schaffen.
Lösungsweg Die Aufgabe wird insbesondere durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Die abhängigen Ansprüche geben vorteilhafte Weiterentwicklungen an. Die Beschreibung und die Zeichnungen geben weitere Einzelheiten an.
Es wurde erkannt, dass ein Schallwandler bereitzustellen ist, mit einem Gehäuse, welches ein Volumen umschließt und bei dem mindestens eine Fläche oder eine Teilfläche durch ein schwingungsfähig gelagertes Flächengebilde gebildet ist, wobei eine Antriebseinheit für das schwingungsfähig gelagerte Flächengebilde vorhanden ist und wobei das Volumen evakuierbar ist. Kennzeichnend für den Schallwandler ist, dass das schwingungsfähig gelagerte
Flächengebilde als Teil einer Federanordnung gebildet ist, wobei die Federanordnung in einem ungespannten oder kaum gespannten Zustand ist, wenn im Volumen
Umgebungsdruck oder nahezu Umgebungsdruck vorhanden ist, eine hinreichend hohe Federsteifigkeit besitzt, um dem Druckunterschied der bei einer Evakuierung des
Gehäuses auftritt, standzuhalten, und eine niedrigere Federsteifigkeit aufweist, wenn das Gehäuse evakuiert ist, so dass das schwingungsfähig gelagerte Flächengebilde mit niedrigem Kraftaufwand zu Schwingungen angeregt werden kann.
Zunächst ist darzustellen, dass das schwingungsfähig gelagerte Flächengebilde, wie später nochmals ausgeführt etwa eine Membran, die Federanordnung selbst bilden kann oder ein Teil einer Federanordnung sein kann, also dass noch andere federnde Teile vorhanden sind. Sofern im Volumen Umgebungsdruck oder nahezu Umgebungsdruck vorhanden ist, wirken im Regelfall keine Kräfte auf die Federanordnung.
Dementsprechend ist die Federanordnung in einem ungespannten oder kaum
gespannten Zustand. Wird nun das Volumen evakuiert, um die eingangs beschriebene niedrige Steifigkeit zu erreichen, treten vergleichsweise hohe Kräfte auf. Entsprechend ist es erforderlich, dass die Federanordnungen eine hinreichend hohe Federsteifigkeit besitzt, um dem Druckunterschied, der bei einer Evakuierung des Gehäuses auftritt, standzuhalten. Gleichsam im Gegensatz dazu, ist eine niedrigere Federsteifigkeit erforderlich, wenn das Gehäuse evakuiert ist, so dass das schwingungsfähig gelagerte Flächengebilde mit niedrigem Kraftaufwand zu Schwingungen angeregt werden kann. Eine solche C harakteristik ist bei Federanordnungen eher unüblich. Häufig nimmt die zur Auslenkung erforderliche Kraft mit der Auslenkung linear zu. Die durch die Evakuierung absinkende Steifigkeit wird damit kompensiert, da das schwingungsfähig gelagerte Flächengebilde als Teil der Federanordnung nur mit höherem Kraftaufwand bewegt werden kann. Dies dürfte der wesentliche Grund sein, warum sich Schwallwandler mit evakuierbarem Volumen nicht durchgesetzt haben. Erst mit der hier vorgeschlagenen C harakteristik, nämlich hoher Federsteifigkeit um den mit der Evakuierung verbundenen Kräften standzuhalten und niedrige Federsteifigkeit bei evakuiertem Volumen, um eine Schwingungsanregung mit niedriger Kraft zu ermöglichen, gestattet einen Schallwandler mit evakuierbarem Volumen und damit niedriger Bautiefe in einfacher Weise
bereitzustellen. Vollständigkeitshalber ist klarzustellen, dass unter Evakuierung wie allgemein üblich jede merkliche Absenkung des Drucks gegenüber dem Umgebungsdruck zu verstehen ist und nicht nur eine annähernd vollständige Evakuierung. Da es nur darauf ankommt, dass Schwingungen leichter angeregt werden können, genügt im Regelfall eine Evakuierung auf einen Druck von kleiner 100 mbar. An dieser Stelle soll erwähnt werden, dass es im Normalfall ausreichend sein sollte, das Vakuum einmal bei der Herstellung des
Schallwandlers herzustellen. Es ist nicht erforderlich das Gehäuse erst zusammenzubauen und anschließend zu evakuieren. Dies erleichtert die Vorstellung, daher suggeriert die hier gewählte Beschreibung dieses Vorgehen. Es ist aber auch möglich das Gehäuse in einer Vakuumumgebung herzustellen. Damit können Fluiddurchführungen, die sonst zum Evakuieren notwendig wären, eingespart werden.
Ferner sei erwähnt, dass die gewünschte niedrige Federsteifigkeit im evakuierten Zustand nicht allein im Interesse eines niedrigen Kraftaufwands ist. Vielmehr geht es um die Schwingungscharakteristik, welche auch tieffrequente Schwingungen ermöglichen soll. Zur Vermeidung von Missverständnissen sei dargelegt, dass die Federsteifigkeit das Verhältnis der für eine Auslenkung erforderlichen Kraft zur Auslenkung angibt.
Wie eingangs dargestellt ist, sind Schalldämpfungsanordnungen mit der oben beschriebenen Federcharakteristik für schallabsorbierende Elemente bereits bekannt. Allerdings weisen diese keine Antriebseinheit für das schwingungsfähig gelagerte Flächengebilde auf. Insofern ergibt sich ein grundlegender Unterschied im Aufbau.
In einer Ausführungsform ist die Federanordnung eine Tellerfeder oder eine Anordnung mehrerer Tellerfedern. Tellerfedern haben im Regelfall die oben beschriebene gewünschte Charakteristik. Derartige Federn sind verbreitet. Dabei ist es möglich, dass der„Teller" der Feder die Membran bildet. In einer Ausführungsform der Erfindung liegt bei evakuiertem Volumen das
schwingungsfähig gelagerte Flächengebilde, soweit abgesehen von der durch die Druckdifferenz ausgeübten Kraft keine Kraft auf das Flächengebilde ausgeübt wird, weitgehend in einer Ebene. Dies ergibt sich häufig aus der C harakteristik der Tellerfedern, die bei einer Lage weitgehend in einer Ebene, also in einem planen Zustand eine niedrige Federsteifigkeit aufweist.
In einer Ausführungsform der Erfindung ist das schwingungsfähig gelagerte
Flächengebilde eine Membran, vorzugsweise aus metallischen oder metallisierten Werkstoffen. Wichtig ist, dass die Membran nur in einem vertretbar niedrigem Maß gasdurchlässig ist, da ansonsten das Vakuum im Innern des Gehäuses, also im
eingeschlossen Volumen nicht aufrechterhalten wird. Beim Einsatz von Tellerfedern kann durch einen geeigneten Werkstoff, insbesondere durch einen metallischen oder metallisierten Werkstoff, die gewünschte Federcharakteristik erreicht werden. In einer Ausführungsform der Erfindung weist die Membran mehrere Schichten auf, wobei die Schichten unterschiedliche Funktionen haben können. So muss mindestens eine Schicht die Aufgabe erfüllen, für die Vakuumdichtheit zu sorgen. Weitere Schichten können etwa zu Federcharakteristik beitragen. Auch Funktionen wie Lichtabsorption und Lichtreflexion können erfüllt sein. In einer Ausführungsform der Erfindung sind Aktuatoren und/oder Sensoren im und/oder am schwingungsfähigen Flächengebilde integriert. Bei Aktuatoren handelt es sich um Wandler oder Antriebselemente, die wegen des englischen Begriffs„actuator" oft als Aktuatoren bezeichnet werden. Aktuatoren setzen elektrische Signale, die etwa aus einem Steuerungsrechner kommen, in mechanische Bewegung oder andere physikalische Größen um. Vorliegend ist häufig mechanische Bewegung interessant. Sensoren haben gleichsam gegenteilige Aufgaben und erfassen verschiedene physikalische Größen, um diese im Regelfall in ein elektrisches Signal umzusetzen. Häufig wird die Funktion des Aktuators und des Sensors durch ein Bauteil erfüllt. Vorliegend interessant sind
Biegewandler, welche als Piezoelemente ausgeführt sein können. So wäre es etwa möglich auftreffenden Schall zu detektieren. Die geschilderten Aktuatoren und/oder Sensoren können eine Schicht der Membran bilden, die wie ausgeführt mehrere
Schichten aufweisen kann.
In einer Ausführungsform der Erfindung sind die Aktuatoren zur Korrektur der
Auslenkung des schwingungsfähigen Flächengebildes in Abhängigkeit von der
Druckdifferenz und/oder zur Anregung von Schwingungen des schwingungsfähigen Flächengebildes nutzbar. So ist es möglich abhängig von der Druckdifferenz zwischen dem Volumen und der Umgebung das schwingungsfähig gelagerte Flächengebilde auszulenken. Wenn etwa im Laufe der Zeit der Druck im vom Gehäuse eingeschlossenen Volumen zunimmt, das Vakuum aber noch hinreichend für den Betrieb des
Schallwandlers ist, könnte dies durch Aktuatoren ausgeglichen werden, um weiterhin eine Ruhelage mit niedriger Federsteifigkeit zu haben.
Die Aktuatoren können auch genutzt werden, um externe Druckänderungen auszugleichen. Hierbei ist an Änderungen des Umgebungsdrucks durch den Einsatz in unterschiedlicher Höhe oder wetterbedingte Druckänderungen zu denken. Auch können sich Druckänderungen durch den Einsatz an unterschiedlichen Stellen in technischen Anlagen ergeben. So könnte ein Druck unterhalb des sonst in der Umgebung üblichen Atmosphärendrucks vorherrschen, wie dies in einer Umgebung mit Gasen, die nicht in die Umgebung entweichen sollen üblich ist. Es kann auch ein erhöhter Außendruck vorherrschen, wie in durchströmten Kaminen oder Rohren. Ferner können auch Druckschwankungen von einem externen Schallfeld, etwa von einem zu dämpfenden Schall ausgeglichen werden. Solche Druckschwankungen sind ersichtlich wesentlich dynamischer als die zuvor geschilderten.
Neben dem Ausgleich von Druckschwankungen können die Aktuatoren auch das schwingungsfähige Flächengebilde zu Schwingungen antreiben. Die Aktuatoren können dabei am Rand des Flächengebildes angeordnet sein. Dort bietet das Gehäuse feste Gegenstücke, so dass die zum Antrieb notwendige Gegenkraft bereitgestellt werden kann. Man kann sich dies auch als eine Art aktiver Aufhängung des Flächengebildes vorstellen
In einer Ausführungsform der Erfindung ist der Schallwandler zur Erfassung eines Schalls einsetzbar, insbesondere zur Erfassung zum Zweck der aktiven Dämpfung des Schalls. Wird das schwingungsfähig gelagerte Flächengebilde nicht anderweitig angeregt, kann aus der Schwingung auf ein externes Schallfeld geschlossen werden. Etwa durch die geschilderten Sensoren kann der Schall erfasst werden. Es ist aber auch möglich bei anderweitiger Schwingungsanregung, etwa durch die geschilderten Aktuatoren, auftreffenden Schall zu erfassen, wobei freilich eine geeignete Signalauswertung erforderlich ist.
In einer Ausführungsform der Erfindung sind mehrere schwingungsfähig gelagerte Flächengebilde in einem Gehäuse angebracht. Anschaulich kann man sich das am besten wie etwa eine Tablettenschachtel vorstellen. Die Verpackung kann man sich als ein gemeinsames Gehäuse vorstellen. Darin können ein gemeinsames Volumen oder mehrere unterteilte Einzelvolumina enthalten sein. Dabei ist eine Vielzahl von
schwingungsfähig gelagerten Flächengebilden, also meist eine Vielzahl von Membranen, angeordnet. Damit kann mit wenig Aufwand eine große Zahl an schwingungsfähig gelagerten Flächengebilden und damit eine entsprechende Schallanregung, oder im Falle von aktiver Schalldämpfung, entsprechende Schalldämpfung erreicht werden.
Erfindungsgemäß ist auch eine Anordnung mit einer Mehrzahl von oben geschilderten Schallwandlern denkbar. Damit werden die Effekte einer einzelnen Anordnung erhöht. Durch geeignete Anordnung kann mitunter mehr als eine bloße Addition von Effekten erreicht werden.
In einer Ausführungsform dieses Aspekts der Erfindung ist die Anordnung durch nebeneinander angeordnete und/oder rückseitig aneinander angeordnete Schallwandler gebildet, wobei sich insbesondere ebene oder gekrümmte Anordnungen ergeben.
Derartige Anordnungen sind vor allen im Interesse einer effizienten aktiven
Schalldämpfung vielversprechend.
Weitere Einzelheiten der Erfindung sollen anhand der Figuren näher beschrieben werden. Dabei zeigen
Fig. 1 Eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Tellerfeder- Schallwandlers, bestehend aus Tellerfeder-Membran 1 mit einem
Schwingungsantrieb 2 und schalldichtem Gehäuse 3 mit evakuierbarem
Hohlraum 4 und pneumatischer Ventilöffnung 5, im Zustand vor bzw. bei der Evakuierung.
Fig. 2 Eine Schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Tellerfeder-Schallwandlers wie in Fig. 1 nach der Evakuierung. Fig. 3 Eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Tellerfeder-Schallwandlers wie in Fig. 2 mit adaptiv reagierenden Sensor-Aktuator-Kombinationen 6 an der Tellerfeder-Membran 1 zur Korrektur einer von der Planlage der Tellerfeder- Membran 1 abweichenden Auslenkung infolge veränderten Außendrucks.
Fig. 4 Eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Tellerfeder-Schallwandlers wie in Fig. 2 jedoch als Draufsicht.
In Figur 1 ist ein als Tellerfeder-Membran 1 ausgebildetes und entsprechend geformtes schwingungsfähig gelagertes Flächengebilde zu erkennen. Die Oberfläche der Membran ist geschlossen und mit einem Schwingungsantrieb 2 sowie den dazugehörigen elektrischen Anschlüssen versehen. Auf der Rückseite schließt sich ein flaches, schalldichtes Gehäuse 3 an, das gemeinsam mit der Tellerfeder-Membran 1 einen evakuierbaren Hohlraum 4 für ein eingeschlossenes Volumen bildet. Das Gehäuse 2 kann über eine pneumatische Ventilöffnung 5 zur gezielten Evakuierung des Hohlraums 4 bei der Herstellung oder zum Anpassung bei veränderten äußeren Bedingungen verfügen.
Die Erklärung der Wirkungsweise des erfindungsgemäßen Tellerfeder-Schallwandlers beginnt mit einer Druckdifferenz über der geschlossenen Tellerfeder-Membran 1 , die sich bei einsetzender Evakuierung des Gehäuses 3 einstellt. Eine einsetzende axiale
Kraftwirkung führt zunächst zu einer proportionalen Auslenkung im linearen Bereich der Federkennlinie. In diesem Bereich ist die Federsteifigkeit in erster Näherung konstant, das heißt die zur Auslenkung notwendige Kraft nimmt linear mit der Auslenkung zu. Die Tellerfeder-Membran 1 lässt sich dabei mittels Material und Geometrie, z. B. nach Art einer Kugelkalotte mit gekrümmten Randformungen für einen gleitenden Übergang zur umgebenden Gehäusefläche, so dimensionieren, dass sie bei einer bestimmten, über den linearen Bereich hinaus gehenden Kraft bzw. Druckdifferenz in einer nahezu ebenen Position, der Planlage, also einer Lage weitgehend in einer Ebene, verharrt, ohne jedoch durchzuschlagen. Unter einem Durchschlagen ist hier zu verstehen, dass die Tellerfeder Membran in einen in das Gehäuse 3 hinein gewölbten Zustand gelangt und dort ohne Kraftausübung verbleiben würde. Die Planlage ist in Figur 2 zu erkennen. In der Planlage ist eine Art von Schwebezustand gegeben, in dem bei geringer mechanischer (Wechsel-) Kraft problemlos eine relativ große Auslenkung erreicht werden kann. Die Tellerfeder-Membran 1 bietet fast keinen Widerstand mehr auf. Genau dies entspricht der Wunschvorstellung eines Schallwandlers, mit einem vergleichsweise schwachen Antriebssystem eine vergleichsweise große Membranauslenkung bzw.
Schallabstrahlung zu erzeugen. Dadurch wird es insbesondere möglich, einen ebenfalls sehr flachen Schwingungsantrieb 2 zu verwenden, z. B. elektrodynamische Axialsysteme, so dass die Gehäusetiefe nicht auf diesem Wege wieder größer gewählt werden muss. Auch können wie bereits erwähnt Aktuatoren 6 am Rand der Membran 1 angebracht sein. Damit kann der an die Membran anschließende Teil des Gehäuses die zum Antrieb erforderliche Gegenkraft bereitstellen.
Wesentliche direkte und indirekte Vorteile sind daher beim erfindungsgemäßen
Tellerfeder-Schallwandler mit dem beschriebenen Einsatz einer Tellerfeder-Membran 1 verbunden. Tellerfedern sind durch ihre zunächst große Federsteifigkeit fähig, bei kleinem Bauraum große Kräfte aufzunehmen. Ihre Federkennlinie kann durch Material- und Gestaltanpassung relativ frei gestaltet werden. Bekanntermaßen sind dafür der Durchmesser, der Federweg zu Tellerfederdicke sowie Außendurchmesser zu
Tellerfederdicke nutzbar sowie Materialkennwerte. Sofern es sich nicht um eine runde Feder handelt, sondern etwa um eine elliptische oder rechteckige Anordnung, der kein Durchmesser zuzuordnen ist, geht ebenfalls die entsprechende Abmessung ein. Neben linearen lassen sich so auch degressive und progressive Kennlinien mit einer nicht konstanten Federsteifigkeit realisieren. Ebenso ist die erfahrungsgemäß lange
Lebensdauer bei dynamischer Belastung vorteilhaft, wobei metallische Werkstoffe oder metallisierte Kunststoffe zum Einsatz kommen können. Die Tellerfeder-Membran 1 lässt sich industriell problemlos zusammen mit dem Gehäuse 3 herstellen. Dabei sind unterschiedliche Verfahren möglich. Konstruktiver Zusatzaufwand, wie z. B. für Sicken oder Zentriervorrichtungen, wird vermieden, da er funktional durch die immanenten Eigenschaften der Tellerfeder-Membran 1 bereits gegeben ist. Durch die hermetische Geschlossenheit des Gesamtsystems sowie durch die metallischen oder metallisierten Materialien lassen sich robuste, hygienische Schallwandler schaffen, die in bestimmten Anwendungsbereichen gefordert sind. Lediglich die elektrischen Anschlüsse stellen eine Verbindung nach außen dar. Da für die Auslegung des Frequenzbereiches hauptsächlich die flächenbezogene Masse der Tellerfeder-Membran 1 von Bedeutung ist ergibt sich auch hier ein einfach beherrschbarer Gestaltungsspielraum. Zudem können auch größere Formate der Tellerfeder-Membran 1 realisiert werden. Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Tellerfeder-Schallwandlers resultieren zum Beispiel aus der gegebenenfalls erforderlichen Anpassung an einen wechselnden Außendruck, zum Beispiel bei Verwendung in aktiven Schalldämpfern für
Lüftungskanäle. Bei gleichem Innendruck kann dies zu Veränderungen bezüglich der voreingestellten Planlage der Tellerfeder-Membran 1 führen. Um darauf gleichsam adaptiv reagieren zu können, eignen sich mit der Tellerfeder-Membran 1 verbundene Sensor-Aktuator-Kombinationen 6, wie in Figur 3 zu erkennen, zum Beispiel nach Art von aktiven, quasistatischen Biegewandlern, in Verbindung mit einem einfachen
Regelungssystem. Ändert sich die Durchbiegung der Sensor-Aktuator-Kombinationen 6 bezüglich eines Referenzzustandes, z. B. der Planlage der Tellerfeder-Membran 1 , wird die Durchbiegung aktuatorisch korrigiert. Für diesen Zweck sind z. B. piezoelektrische, bimetallische oder andere Materialsysteme geeignet.
Die Sensor-Aktuator-Kombinationen 6 können zusätzlich wie beschrieben auch am Rand der Membran 1 angeordnet sein und den Schwingungsantrieb 2 bilden, d. h. sowohl für eine statische Justierung der Planlage als auch für die dynamischen
Membranschwingungen sorgen.
Weitere Ausgestaltungen ergeben sich aus der erreichbaren ultra-flachen Bauform des erfindungsgemäßen Tellerfeder-Schallwandlers. Bei nur wenigen Millimetern Bautiefe lassen sich zwei erfindungsgemäße Tellerfeder-Schallwandler rückseitig miteinander verbinden, so dass ein beiseitig abstrahlender Schallwandler entsteht. Bei Anwendungen zum Beispiel in aktiven Schalldämpfer-Kulissen, eingestellt in Lüftungskanäle, werden so beide Dämpferspalte einer Kulisse bedämpft. Zu Beschallungszwecken oder dergleichen können mehrere erfindungsgemäße
Tellerfeder-Schallwandler zu ebenen oder gekrümmten Flächen zusammengefasst und dabei gleich oder unterschiedlich angesteuert werden. Auch die Integration einzelner oder mehrerer erfindungsgemäßer Tellerfeder-Schallwandler in oder an Geräten, z. B. Computer, Monitore und Kommunikationsgeräte, Maschinen, Fahrzeuge, Flugzeuge oder andere Anlagen und Einrichtungen ist auf Grund der platzsparenden Bauformen von Vorteil. Eine andere Anwendung des erfindungsgemäßen Tellerfeder-Schallwandlers, die ebenfalls von der flächenhaften und flachen Bauform profitiert, betrifft die Aufnahme von Schallschwingungen. In diesem Fall wird die Tellerfeder-Membran 1 durch äußere Schallfelder zu Schwingungen angeregt und der Schwingungsantrieb 2 oder die Sensor- Aktuator-Kombinationen 6 wandeln diese Schwingbewegungen in elektrische Energie oder andere verwertbare Signale um. Nahezu alle bisher genannten Funktionen und Vorteile sind hierbei gleichermaßen zutreffend.

Claims

Patentansprüche
1 . Schallwandler, mit einem Gehäuse (3), welches ein Volumen (4) umschließt und bei dem mindestens eine Fläche oder eine Teilfläche durch ein schwingungsfähig gelagertes Flächengebilde (1 ) gebildet ist, wobei eine Antriebseinheit (2) für das schwingungsfähig gelagerte Flächengebilde vorhanden ist, wobei das Volumen (4) evakuierbar ist, wobei das schwingungsfähig gelagerte Flächengebilde (1 ) als Teil einer Federanordnung gebildet ist, wobei die Federanordnung in einem ungespannten oder kaum gespannten Zustand ist, wenn im Volumen
Umgebungsdruck oder nahezu Umgebungsdruck vorhanden ist, eine hinreichend hohe Federsteifigkeit besitzt, um dem Druckunterschied der bei einer
Evakuierung des Gehäuses (3) auftritt, standzuhalten, dadurch gekennzeichnet, dass die Federanordnung und eine niedrigere Federsteifigkeit aufweist, wenn das Gehäuse (3) evakuiert ist, so dass das schwingungsfähig gelagerte Flächengebilde (1 ) mit niedrigem Kraftaufwand zu Schwingungen angeregt werden kann.
2. Schallwandler nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die
Federanordnung eine Tellerfeder oder eine Anordnung mehrerer Tellerfedern ist.
3. Schwallwandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass bei evakuiertem Volumen (4) das schwingungsfähig gelagerte Flächengebilde (1 ), soweit abgesehen von der durch die Druckdifferenz ausgeübten Kraft keine Kraft auf das schwingungsfähig gelagerte Flächengebilde (1 ) ausgeübt wird, weitgehend in einer Ebene liegt.
4. Schallwandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass das schwingungsfähig gelagerte Flächengebilde (1 ) eine Membran ist, vorzugsweise aus metallischen oder metallisierten Werkstoffen.
5. Schallwandler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (1 ) mehrere Schichten aufweist, wobei die Schichten unterschiedliche Funktionen haben können.
6. Schallwandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass Aktuatoren und/oder Sensoren (6) im und/oder am schwingungsfähig gelagerten Flächengebilde (1 ) integriert sind.
7. Schallwandler nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Aktuatoren (6) zur Korrektur der Auslenkung des schwingungsfähig gelagerten
Flächengebildes in Abhängigkeit von der Druckdifferenz und/oder zur Anregung von Schwingungen des schwingungsfähig gelagerten Flächengebildes (1 ) nutzbar sind.
8. Schallwandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass der Schallwandler zur Erfassung eines Schalls einsetzbar ist, insbesondere zur Erfassung zum Zweck der aktiven Dämpfung des Schalls.
9. Schallwandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass mehrere schwingungsfähig gelagerte Flächengebilde (1 ) in einem Gehäuse (3) angebracht sind.
1 0. Anordnung mit einer Mehrzahl von Schallwandlern nach einem der
vorhergehenden Ansprüche.
1 1 . Anordnung nach Anspruch 1 0, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung durch nebeneinander angeordnete und/oder rückseitig aneinander angeordnete Schallwandler gebildet ist, wobei sich insbesondere ebene oder gekrümmte Anordnungen ergeben.
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