EP3005726A1 - Akustisches system mit einem gehäuse mit adsorbierendem pulver - Google Patents

Akustisches system mit einem gehäuse mit adsorbierendem pulver

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EP3005726A1
EP3005726A1 EP14734409.7A EP14734409A EP3005726A1 EP 3005726 A1 EP3005726 A1 EP 3005726A1 EP 14734409 A EP14734409 A EP 14734409A EP 3005726 A1 EP3005726 A1 EP 3005726A1
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EP
European Patent Office
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powder
housing
acoustic system
volume
activated carbon
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EP14734409.7A
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Karlheinz Bay
Michael Leistner
Philipp LEISTNER
Waldemar MAYSENHÖLDER
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Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
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Definitions

  • the application relates to an acoustic system with a housing with adsorbent powder.
  • Adsorption is a surface effect that can theoretically be increased extremely, as long as the effective surface area can be increased in a volume-neutral manner. With different adsorbers in different material characteristics effects were achieved, for. US 46571 08 and US 2004/0251 077, which promise to double the acoustic compliance. In practice, these are usually activated carbon, which is used as a coating by
  • Shaped bodies or in granular form in the housing is used, as shown in Figure 1 described in more detail later.
  • Activated carbon is comparatively inexpensive and readily available. But it also has usage-specific disadvantages, one of which is the
  • pressure equalization tubes are provided (US 4657108), however, may contain activated charcoal again to prevent moisture entry.
  • Activated carbon in an even finer resolution (about 0.05 mm) is proposed in the already mentioned pressure equalization tube (US 4657108), but with the explicit function of a hygric barrier. Further experiments or studies with other dosage forms of activated carbon are not known.
  • EP 1 868 410 A1 a loudspeaker arrangement is known.
  • a housing wall is partially formed by a membrane. Within The housing is a drive that stimulates the membrane to vibrate. Further, located within the housing, a region in which powdered activated carbon is arranged. The activated carbon is in a shell, z. B. a bag housed.
  • Kundt dust tube Also described in Wikipedia is the Kundt dust tube.
  • a Kundt dust tube it is possible to make visible sound waves in a glass tube. For example, bearberry spores are moved by the intense sound wave and collect at the points where the sound velocity of the sound waves is smallest, that is, in the nodes of the standing wave. The Bärlappsporen be moved by the sound waves.
  • the object is both to enhance the acoustic effect and to reduce or eliminate the practical problems.
  • an acoustic system in particular a sound transducer, is to be provided with a housing which encloses a volume and in which at least one surface or a partial surface is supported by an oscillating bearing
  • the movement must be such that an adsorptive surface is increased, wherein the adsorbent material is selected such that upon an increase in the pressure due to vibrations of the vibrationally supported sheet
  • activated carbon is often chosen because activated carbon has the desired adsorption properties and has a high surface area. Investigations with activated carbon have shown that with a grain size of the powder significantly smaller than 0, 1 mm, a significant increase in the adsorption takes place. A certain increase can be explained, since the surface available for adsorption increases with decreasing grain size. However, the observed increase can not be adequately explained.
  • adsorbing material to reduce the stiffness of the transducer is to be chosen so that by the vibrations of the vibrationally mounted fabric a
  • Movement of the powder is caused.
  • This teaching is not limited to activated carbon powder with the mentioned grain size.
  • the powder is freely movable in the housing. This goes over the said
  • the powder can be in different places in the housing and not just in a certain area. This eliminates a separation of this area, so that the powder can be easily swirled by the sound waves.
  • the powder is usually distributed depending on the gravity and thus dependent on the installation position of the transducer in the housing. In comparison with the arrangement known from EP 1 868 410 A1, in which the powder is accommodated in sacks, this should result in a significantly better fluidizability, so that the rigidity of the sound transducer can be lowered more efficiently. In any case, the air can better get to the powder particles and adsorb better there.
  • the invention is also applicable to acoustic systems in which a drive unit is provided, with which the vibratory bearing sheet can be excited to vibrate. As has already become clear from the above, is in a
  • Embodiment of the invention selected as an adsorbent material activated carbon.
  • powder with a particle size of less than 0.1 mm is advantageous. At least a mass fraction of 50% of the powder should be present at a particle size of less than 0.08 mm, preferably less than 0.05 mm, particularly preferably less than 0.045 mm. It should be noted that the grain sizes are usually resulting from a screening. When screening a certain distribution is unavoidable. Thus, in a powder which is sieved to a grain size of 0.05 mm, usually also individual particles with a grain size of almost 0, 1 mm are included.
  • powdered activated carbon is commonly used when a mass fraction of at least 50% has a particle size range of 0.045 mm. At the same time, the mass fraction is one
  • carbon nanotubes are selected as the adsorbent material. Carbon nanotubes are sometimes cheap
  • Silica gel or zeolite can also be used as adsorbent materials.
  • the vibrationally supported sheet is a membrane, in particular a plastic membrane.
  • Membranes in particular plastic membranes, have proven themselves for sound transducers.
  • a drive unit is provided outside the housing, with which the vibrationally mounted sheet can be excited to vibrate.
  • the function of the drive unit could be adversely affected in the present case by the powder present in the housing.
  • a drive unit with which the vibrationally mounted sheet can be excited to vibrate, wherein the drive unit is insensitive to the powder present in the housing.
  • Conceivable for example, are sheets which are constructed from multilayer films in which oscillations can be excited by applying an alternating voltage and corresponding electrostatic repulsions and attractions.
  • the z. B. is also used for centering the elements.
  • This foil-like structure can be the Drive unit and a part of the vibrationally supported sheet surrounded so that no powder can penetrate.
  • the foil-like structure can be part of the oscillatingly supported structure. It is understood that the arrangement of the drive unit outside the housing also represents a drive unit which is insensitive to the powder present in the housing.
  • the housing is hygrically sealed. Under a hygrischen tightness is to be understood that is prevented by penetrating ambient moisture, the powder is wet and its adsorbing function
  • adsorbent materials such as activated carbon, are often hydrophilic.
  • more than half of the housing volume is filled with powder.
  • the degree of filling is between two requirements
  • a sound pressure sensor in particular a microphone, is present in the housing.
  • the sound pressure in the housing can be better detected and depending on the sound pressure by a corresponding
  • Control unit amplified or attenuated the excitation of the vibrationally stored sheet. This allows a further reduction in stiffness, so that the reduction in rigidity achieved by the use of powder of adsorbent material can be enhanced.
  • the sound pressure sensor must be suitably protected in order to prevent it from being impaired by the powder. It should be mentioned at this point that the present invention can also be used well in an adaptive acoustic monitor, as described in DE 197 46 645 C1. If one adds powder of adsorbing material to the volume of the soundproof housing of DE 197 46 645 C1, the soundproof housing can be made smaller with the same acoustic properties
  • a sensor electrode is arranged in the housing, such that the arrangement of sensor electrode, powder of adsorbent material and housing forms an electrical circuit whose resistance is variable by a change in density of the powder, so that by measuring the change in resistance Statement about sound that causes a movement of the powder is possible.
  • This is mainly due to the fact that with a higher density of the powder, the particles of the powder are closer to each other and thus a higher
  • the powder must of course be electrically conductive, as is the case with activated carbon.
  • the sound transducer can be used in a simple manner for sound measurement. In most cases, microphones should usually be preferred. However, if the sound transducer described above is present anyway, the sound transducer can be equipped with the described sensor electrode with very little effort and used for sound measurement. Thus, the above-described sound pressure sensor can be replaced, if necessary, also be supplemented.
  • the invention will be described in more detail below with reference to exemplary embodiments. Show
  • Fig. 1 is a simplified schematic representation of a membrane 1 of a
  • Sound transducer with a housing 2, which is a layer of adsorbent granules, z.
  • activated carbon contains, on the surface of air or gas molecules are adsorbed.
  • area A there are air or gas molecules, in area B adsorption takes place and in area C this adsorption decreases.
  • FIG. 2 is a simplified schematic representation of the housing according to the invention with activated carbon powder, consisting of a hygrisch dense combination of membrane 1 and a housing 2, exclusively with unbound and im entire housing freely moving activated carbon particles 3 with dimensions of significantly smaller than 0, 1 mm is filled.
  • the area B with adsorption extends over a larger part of the housing 2.
  • FIG. 3 A simplified schematic representation of the housing according to the invention with activated carbon powder, in which a metallic sensor electrode 4 is placed, which has a Sound field generated in the housing 2 proportional size, which is fed back by means of a signal processing unit to the vibration drive of the diaphragm 1.
  • the starting point is an acoustic system shown in Figure 1 consisting of a membrane 1, e.g. a loudspeaker diaphragm, which is stored as oscillating
  • the membrane 1 is part of a housing 2.
  • the membrane 1 and the housing 2 are hygrically tight. It is also ensured that the connection between the membrane 1 and the remaining housing 2 are hygrically sealed.
  • electrodynamic cone speakers this can be done e.g. reach with plastic membranes or metallized plastic membranes, with the loudspeaker reversed, i. is mounted with the open side of the cone towards the housing.
  • the thus increased height of the entire structure of speaker and housing 2 is undesirable, but acceptable, especially for small speakers with a flat cone and just such drive systems.
  • a minimum moisture content of the ambient air must be ensured during installation. In area A there are air or gas molecules, in area B adsorption of these molecules takes place and in area C this adsorption subsides, since the molecules from area A hardly get there.
  • the technical solution based on the use of activated carbon powder whose dominant volume fraction of activated carbon particles having a size significantly smaller than 1 00 microns.
  • This size is associated with a mass per particle, in which the weight of the particles is more and more in the order of magnitude of the surface pressure acting on the particles by the sound pressure.
  • a sound pressure level above about 50 dB is called. It should be emphasized that this value is difficult to determine and should be considered as a rough guide only.
  • the small activated carbon particles begin to move, triggered by the sound pressure. The adsorption of the gas or air molecules therefore no longer takes place only on the statically available surface of the activated carbon. The inconspicuous step towards smaller activated carbon particles at first glance has surprising consequences.
  • the acoustic compliance with air filling can quadruple in the case of small transducers and housings.
  • the rule published so far the more activated carbon in a housing, the better, is at least relativized. It must be specified that the larger the dynamically offered surface of the activated carbon particles, the better, since this increases the adsorption effect.
  • the surface effect adsorption is superimposed and amplified with a dynamic volume effect.
  • the activated carbon particles 3 are swirled by the sound pressure in the housing 2, which is caused by movements of the membrane 1.
  • the activated carbon particles 3 are thus swirled in the housing 2.
  • This increases as it were the area B, in which the air molecules are located and attach to the activated carbon particles.
  • FIG. 2 it should be noted that this is really to be understood only schematically. As mentioned, it is by no means necessary for the powder to be distributed throughout the housing. Of course, such a distribution does not preclude the function.
  • the unexpectedly pronounced acoustic advantage of the dynamics thus achieved
  • Adsorption process is shown. This dynamic can also be illustrated in another way.
  • a metallic electrode 4 is placed in a filled with such a fine activated carbon powder 3 housing 2 and pre-polarized with a low DC voltage, as shown in Figure 3 can be seen.
  • the loudspeaker generates sound vibrations, that is, the diaphragm 1 vibrates, this raises itself
  • Electrode 4 a the sound pressure proportional AC voltage.
  • the electrode 4 acts together with the moving activated carbon particles like a microphone.
  • Activated carbon powder 3 on the membrane 1 shows the enlarged acoustic
  • the pre-polarized electrode in the housing offers a functional

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein akustisches System, insbesondere einem Schallwandler, mit einem Gehäuse (2), welches ein Volumen umschließt und bei dem mindestens eine Fläche oder eine Teilfläche durch ein schwingfähig gelagertes Flächengebilde (1) gebildet ist, wobei im Volumen Pulver (3) aus adsorbierendem Material vorhanden ist, wobei das Pulver (3) so gewählt ist, dass durch Schwingungen des schwingfähig gelagerten Flächengebildes (1) im Volumen eine Bewegung des Pulvers (3) derart erfolgt, dass eine adsorptionswirksame Oberfläche erhöht wird, wobei das adsorbierende Material derart gewählt ist, dass bei einer Erhöhung des Drucks durch Schwingungen des schwingfähig gelagerten Flächengebildes (1) eine Adsorption von im Volumen befindlicher Luft oder Gas erfolgt und bei Senkung des Drucks durch Schwingungen des schwingfähigen Flächengebildes (1) eine Desorption von im Volumen befindlicher Luft oder Gas erfolgt. Das Pulver (3) ist dabei im Gehäuse frei beweglich.

Description

Patentanmeldung:
Akustisches System mit einem Gehäuse mit adsorbierendem Pulver
Die Anmeldung betrifft ein akustisches System mit einem Gehäuse mit adsorbierendem Pulver.
Stand der Technik
Bei akustischen Systemen mit beteiligten Hohlräumen, wie z. B. Lautsprechergehäuse, bestimmt die Nachgiebigkeit des zumeist luftgefüllten Hohlraumvolumens deren
Wirkung bei tiefen Frequenzen, unabhängig davon, ob es sich um Schall erzeugende oder dämpfende Systeme handelt. Es gilt, je größer das Volumen desto größer die akustische Nachgiebigkeit und desto größer die akustische Leistungsfähigkeit. Um bei Platzmangel die akustische Nachgiebigkeit kleinerer Hohlräume zu vergrößern, sind daher Manipulationen erforderlich. Versuche, dies zu erreichen, führten unter anderem zu Füllungen des Gehäuses mit absorbierenden oder adsorbierenden Materialien. Da die Absorption, vereinfacht ausgedrückt, ein Volumeneffekt ist, erweisen sich hier die bekannten porösen Stoffe als anwendbar. Der Effekt bezüglich der Vergrößerung der akustischen Nachgiebigkeit ist jedoch sowohl theoretisch als auch praktisch begrenzt, zumal das Volumen ja gerade die kritische Größe darstellt. Die Adsorption hingegen ist ein Oberflächeneffekt, der sich theoretisch extrem steigern lässt, solange die wirksame Oberfläche volumenneutral erhöht werden kann. Mit unterschiedlichen Adsorbern in unterschiedlicher stofflicher Ausprägung wurden Effekte erzielt, z. B. US 46571 08 und US 2004/0251 077, die eine Verdopplung der akustischen Nachgiebigkeit in Aussicht stellen. Praktisch handelt es sich dabei meist um Aktivkohle, die als Beschichtung von
Formkörpern oder in granulärer Form im Gehäuse eingesetzt wird, wie in der später näher beschriebenen Figur 1 gezeigt wird. Aktivkohle ist vergleichsweise preiswert und gut verfügbar. Sie hat aber auch einsatzspezifische Nachteile, einer davon ist die
Anfälligkeit gegenüber Luftfeuchtigkeit. Daher konzentrieren sich technische Ausgestaltungen von mit Aktivkohle gefüllten Gehäusen insbesondere bei Lautsprechern auf den Schutz vor und den Umgang mit Feuchtigkeit in den Gehäusen. Einerseits werden Zusatzstoffe, z. B. Stoffe mit wiederum absorbierenden bzw. hydrophilen Eigenschaften, vorgeschlagen, die Feuchtigkeit binden (US 2004/0251 077). Anderseits werden zusätzliche Barrieren oder Verpackungen im Gehäuse beschrieben, welche die Feuchtigkeit von der Aktivkohle fernhalten sollen (US 46571 08). Da diese Barrieren, z. B. Folien oder dichte Vliese, aber auch akustisch wirksam sind, müssen teilweise
Kompromisse akzeptiert werden. Um z. B. eine Druckdifferenz zwischen dem Gehäuse und der in Folie verpackten Aktivkohle zu vermeiden, sind Druckausgleichsröhrchen vorgesehen (US 4657108), die jedoch zur Verhinderung eines Feuchteeintrages erneut Aktivkohle enthalten können.
Einen einfachen Weg, das Problem eindringender Feuchtigkeit zu lösen, stellt ein hygrisch dichtes Gehäuse mit einem ebenso dichten Lautsprecher und einer dichten Verbindung zwischen Gehäuse und Lautsprecher dar. Diese Konfiguration bleibt aus unbekannten Gründen jedoch weitgehend unberücksichtigt. Ein anzunehmender Grund stellt die bevorzugte Nutzung elektrodynamischer Konus-Lautsprecher dar. Bei bestimmungsgemäßer Verwendung ist eine Feuchtigkeitsabdichtung nicht ohne weiteres möglich. Zugleich entsteht ein Problem bei der Verwendung von granulärer Aktivkohle oder pulverförmiger Aktivkohle , da sie den offenen Ringspalt, in dem sich die
Schwingspule bewegt, zusetzen kann. Daraus resultiert ein weiterer Grund für die beschriebenen Schutzmaßnahmen hinsichtlich der Aktivkohle im Gehäuse.
Abgesehen von diesen anwendungsbezogenen Gestaltungsaspekten stellt sich grundsätzlich die Frage, ob die akustische Nachgiebigkeit weiter gesteigert werden kann. Mit Bezug auf den Oberflächeneffekt Adsorption und die bislang bekannte Verdopplung mittels Aktivkohle-Granulat wird eine Korngröße zwischen 0, 1 und 0,3 mm (US
46571 08) bevorzugt. In dem bereits erwähnten Druckausgleichsröhrchen (US 4657108) wird zwar Aktivkohle in noch feinerer Auflösung (ca. 0,05 mm) vorgeschlagen, allerdings mit der ausdrücklichen Funktion einer hygrischen Sperre. Weitere Versuche oder Untersuchungen mit anderen Darreichungsformen von Aktivkohle sind nicht bekannt. Aus der EP 1 868 410 A1 ist eine Lautsprecheranordnung bekannt. Dabei ist ein Gehäuse vorhanden. Eine Gehäusewand wird teilweise durch eine Membran gebildet. Innerhalb des Gehäuses befindet sich ein Antrieb, der die Membran zum Schwingen anregt. Ferner befindet sich innerhalb des Gehäuses ein Bereich, in dem pulverförmige Aktivkohle angeordnet ist. Die Aktivkohle ist in einer Hülle, z. B. einem Sack, untergebracht. Damit wird vor allem verhindert, dass die Aktivkohle im Gehäuse frei beweglich ist und den Antrieb, der die Membran zum Schwingen anregt, schädigt. Hierzu ist zu bemerken, dass es sich bei derartigen Antrieben zumeist um Spulen mit einem Ringspalt handelt. Wenn die feine pulverförmige Aktivkohle dorthin gelangt, kann der Antrieb geschädigt werden.
Allgemein bekannt ist, dass Aktivkohle Gas druckabhängig adsorbieren kann. Bisweilen wird, etwa in einer Darstellung in Wikipedia (Stand 04.06.2013) fälschlicherweise von Absorption gesprochen.
Ebenfalls in Wikipedia beschrieben ist das Kundtsche Staubrohr. Mit einem Kundtschen Staubrohr ist es möglich stehende Schallwellen in einem Glasrohr sichtbar zu machen. Etwa Bärlappsporen werden durch die intensive Schallwelle bewegt und sammeln sich an den Stellen, an denen die Schallschnelle der Schallwellen am kleinsten ist, das heißt in den Knoten der stehenden Welle. Die Bärlappsporen werden von den Schallwellen bewegt.
Ausgehend vom bisher ermittelten Potential einer Aktivkohle-Füllung in einem Gehäuse zur Erhöhung der akustischen Nachgiebigkeit und den damit zugleich verbundenen praktischen Problemen besteht die Aufgabe darin, sowohl den akustischen Effekt zu verstärken als auch die praktischen Probleme zu reduzieren oder zu eliminieren.
Beschreibung
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 akustisches System, insbesondere ein Schallwandler, bereitzustellen ist, mit einem Gehäuse, welches ein Volumen umschließt und bei dem mindestens eine Fläche oder eine Teilfläche durch ein schwingfähig gelagertes
Flächengebilde gebildet ist, wobei im Volumen Pulver aus adsorbierendem Material mit adsorptionswirksamer Oberfläche vorhanden ist, wobei das Pulver so gewählt ist, dass durch Schwingungen des schwingfähig gelagerten Flächengebildes im Volumen eine Bewegung des Pulvers erfolgt.
Die Bewegung hat so zu erfolgen, dass eine adsorptionswirksame Oberfläche erhöht wird, wobei das adsorbierende Material derart gewählt ist, dass bei einer Erhöhung des Drucks durch Schwingungen des schwingfähig gelagerten Flächengebildes eine
Adsorption von im Volumen befindlicher Luft oder Gas erfolgt.
Wie eingangs erwähnt ist es bekannt, dass durch adsorbierende Stoffe im Volumen eines Schallwandlers die Steifigkeit gesenkt werden kann, da dadurch das verfügbare Volumen gleichsam erhöht werden kann. Dabei ist klar, dass neben der Auswahl des geeigneten Materials - bei der interessierenden Druckerhöhung muss eine Adsorption erfolgen - die zur Verfügung stehende Oberfläche eine entscheidende Rolle spielt. Daher wird häufig Aktivkohle gewählt, da Aktivkohle die gewünschten Adsorptionseigenschaften hat und eine hohe Oberfläche aufweist. Untersuchungen mit Aktivkohle haben gezeigt, dass bei einer Korngröße des Pulvers deutlich kleiner als 0, 1 mm eine deutliche Erhöhung der Adsorption erfolgt. Eine gewisse Erhöhung ist erklärbar, da mit sinkender Korngröße die für die Adsorption zur Verfügung stehende Oberfläche steigt. Der beobachtete Anstieg lässt sich aber damit nicht hinreichend erklären. Der ausgeprägte Anstieg lässt sich nur damit erklären, dass bei hinreichend kleiner Partikelgröße die Schwingungen des schwingfähig gelagerten Flächengebildes eine Bewegung der Pulverpartikel hervorrufen, wodurch die adsorptionswirksame Oberfläche deutlich vergrößert wird. Diese Bewegung führt zu einer Erhöhung des Abstands der Pulverpartikel, so dass die Luft oder das Gas, welches adsorbiert werden soll, besser an die Pulverpartikel gelangen kann. Durch diese Abstandsänderung erhöht sich die Dichte der Schüttung, da dieselbe Menge an Pulverpartikeln einen größeren Raum einnimmt. Die Druckschwankungen bewirken mithin eine dynamische Dichteänderung. Damit verbunden ist häufig auch eine Verwirbelung des Pulvers, Es ist jedoch nicht erforderlich, dass das Pulver im Gehäuse gleichsam umherfliegt. Es genügt zumeist, dass durch die Bewegung der Abstand der Pulverpartikel untereinander zunimmt. Aus dieser Analyse folgt die wichtige Schlussfolgerung, dass das Pulver aus
adsorbierendem Material zur Senkung der Steifigkeit des Schallwandlers so zu wählen ist, dass durch die Schwingungen des schwingfähig gelagerten Flächengebildes eine
Bewegung des Pulvers hervorgerufen wird. Diese Lehre ist nicht auf Aktivkohlepulver mit der genannten Korngröße beschränkt.
Ferner ist das Pulver im Gehäuse frei beweglich. Dies geht über die genannte
Verwirbelbarkeit hinaus. Hinzu kommt, dass das Pulver an verschiedenen Stellen im Gehäuse sein kann und nicht nur in einem bestimmten Bereich. Damit entfällt eine Abtrennung dieses Bereichs, so dass das Pulver durch die Schallwellen leichter verwirbelt werden kann. Das Pulver wird sich im Regelfall abhängig von der Schwerkraft und somit abhängig von der Einbaulage des Schallwandlers im Gehäuse verteilen. Im Vergleich mit der aus der EP 1 868 410 A1 bekannten Anordnung, bei der das Pulver in Säcken untergebracht ist, dürfte sich damit eine deutlich bessere Verwirbelbarkeit ergeben, so dass die Steifigkeit des Schallwandlers effizienter abgesenkt werden kann. In jedem Fall kann die Luft besser an die Pulverpartikel gelangen und so besser dort adsorbieren.
Darüber hinaus darf eine Hülle um das Pulver den Schalleintritt nicht behindern, so dass u.U. teure Materialien und natürlich der Verpackungsaufwand die Kosten erhöhen.
Im Fokus der vorliegenden Erfindung sind passive Schallwandler, also Schallwandler bei denen Schall von außerhalb, der gedämpft werden soll, das schwingfähig gelagerte Flächengebilde zu Schwingungen anregt. In diesen Fällen ist kein Antrieb vorhanden, der vor dem Pulver im Gehäuse zu schützen wäre. Wie später dargestellt, ist die Erfindung aber auch für akustische Systeme anwendbar, bei denen eine Antriebseinheit vorhanden ist, mit der das schwingfähig gelagerte Flächengebilde zu Schwingungen angeregt werden kann Wie aus den obigen Ausführungen bereits deutlich geworden ist, wird in einer
Ausführungsform der Erfindung als adsorbierendes Material Aktivkohle gewählt.
Ebenfalls ist bereits ausgeführt worden, dass Pulver mit einer Korngröße von kleiner als 0, 1 mm vorteilhaft ist. Dabei sollte mindestens ein Massenanteil von 50% des Pulvers bei einer Korngröße von kleiner als 0,08 mm, bevorzugt kleiner 0,05 mm, besonders bevorzugt kleiner 0,045 mm, vorliegen. Dabei ist zu beachten, dass die Korngrößen sich normalerweise aus einer Siebung ergeben. Bei der Siebung ist eine gewisse Verteilung nicht zu vermeiden. So sind in einem Pulver, das auf eine Korngröße von 0,05 mm hin gesiebt ist, meist auch einzelne Partikel mit einer Korngröße von fast 0, 1 mm enthalten.
Hinsichtlich des wichtigen Materials Aktivkohle ist auszuführen dass von Pulveraktivkohle gemeinhin dann gesprochen wird, wenn ein Massenanteil von mindestens 50% einen Korngrößenbereich von 0,045 mm hat. Zugleich ist der Massenanteil mit einem
Korngrößenbereich größer als 0,071 mm kleiner als 25% .
In einer Ausführungsform der Erfindung sind als adsorbierendes Material Carbon- Nanotubes gewählt. Carbon-Nanotubes haben bisweilen günstige
Adsorptionseigenschaften und sind zwischenzeitlich gut erhältlich. Auch Silikagel oder Zeolit können als adsorbierende Materialien eingesetzt werden.
In einer Ausführungsform der Erfindung ist das schwingfähig gelagerte Flächengebilde eine Membran, insbesondere eine Kunststoffmembran. Membranen, insbesondere Kunststoffmembrane, haben sich für Schallwandler bewährt.
In einer Ausführungsform der Erfindung ist außerhalb des Gehäuses eine Antriebseinheit vorhanden, mit der das schwingfähig gelagerte Flächengebilde zu Schwingungen angeregt werden kann. Bei den verbreiteten Antriebseinheiten, die sich innerhalb des Gehäuses befinden, könnte vorliegend durch das im Gehäuse vorhandene Pulver die Funktion der Antriebseinheit beeinträchtigt werden. Durch eine Unterbringung außerhalb des Gehäuses kann dies vermieden werden.
In einer Ausführungsform der Erfindung ist eine Antriebseinheit vorhanden, mit der das schwingfähig gelagerte Flächengebilde zu Schwingungen angeregt werden kann, wobei die Antriebseinheit unempfindlich gegenüber dem im Gehäuse vorhandenen Pulver ist. Denkbar sind beispielsweise Flächengebilde, die aus mehrlagigen Folien aufgebaut sind, bei denen durch Anlegen einer Wechselspannung und entsprechende elektrostatische Abstoßungen und Anziehungen Schwingungen angeregt werden können. Es sind auch Ausführungsformen der verbreiteten Antriebseinheiten mit Spule und Ringspalt erhältlich, bei denen die Spule und Ringspalt in einer Art Folie eingefasst sind, die z. B. auch zur Zentrierung der Elemente genutzt wird. Dieses folienartige Gebilde kann die Antriebseinheit und einen Teil des schwingfähig gelagerten Flächengebildes so umgeben, dass kein Pulver eindringen kann. Das folienartige Gebilde kann gleichsam Teil des schwingfähig gelagerten Flächengebildes sein. Es versteht sich, dass die Anordnung der Antriebseinheit außerhalb des Gehäuses auch eine Antriebseinheit darstellt, die gegenüber dem im Gehäuse vorhandenen Pulver unempfindlich ist.
In einer Ausführungsform der Erfindung ist das Gehäuse hygrisch dicht. Unter einer hygrischen Dichtheit ist zu verstehen, dass verhindert wird, dass durch eindringende Umgebungsfeuchte das Pulver feucht wird und seine adsorbierende Funktion
eingeschränkt wird. Hierbei ist zunächst daran zu denken, dass an feuchtem Material die Adsorption generell eingeschränkt sein kann. Zudem lässt sich feuchtes Pulver nur sehr erschwert verwirbeln. Insgesamt ist zu beachten, dass adsorbierende Materialien, wie etwa Aktivkohle, häufig hydrophil sind.
In einer Ausführungsform der Erfindung ist mehr als die Hälfte des Gehäusevolumens mit Pulver gefüllt. Bei der Wahl des Füllungsgrads ist zwischen zwei Forderungen
abzuwägen. Zum einen ist ein möglichst hohes Luftvolumen wünschenswert, da ein größeres Volumen leichter komprimiert werden kann. Auf der anderen Seite ist ein hoher Füllgrad mit Pulver anzustreben, um möglichst viel Adsorptionsmaterial zur Verfügung zu haben. Sinnvoll ist es mehr als die Hälfte des Volumens des Gehäuses mit Pulver zu füllen. In einer Ausführungsform der Erfindung ist im Gehäuse ein Schalldrucksensor, insbesondere ein Mikrofon vorhanden. Damit kann der Schalldruck im Gehäuse besser erfasst werden und in Abhängigkeit vom Schalldruck durch eine entsprechende
Steuereinheit die Anregung des schwingfähig gelagerten Flächengebildes verstärkt oder abgeschwächt werden. Dies erlaubt eine weitere Senkung der Steifigkeit, so dass die durch die Verwendung von Pulver aus adsorbierendem Material erreichte Senkung der Steifigkeit verstärkt werden kann.
Der Schalldrucksensor muss geeignet geschützt werden, um durch das Pulver nicht in seiner Funktion beeinträchtigt zu werden. An dieser Stelle soll erwähnt werden, dass die vorliegende Erfindung auch in einem adaptiven akustischen Monitor, wie in DE 197 46 645 C 1 beschrieben, gut eingesetzt werden kann. Gibt man in das Volumen des schalldichten Gehäuse der DE 197 46 645 C 1 Pulver aus adsorbierendem Material, so kann das schalldichte Gehäuse bei gleichen akustischen Eigenschaften kleiner gestaltet werden
In einer Ausführungsform der Erfindung ist im Gehäuse eine Sensorelektrode angeordnet, derart dass die Anordnung aus Sensorelektrode, Pulver aus adsorbierendem Material und Gehäuse einen elektrischen Stromkreis bildet, dessen Widerstand durch eine Dichteänderung des Pulvers veränderlich ist, so dass durch eine Messung der Änderung des Widerstandes eine Aussage über Schall, der eine Bewegung des Pulvers bewirkt, möglich ist. Dies liegt vor allem daran, dass bei einer höheren Dichte des Pulvers die Partikel des Pulvers näher beieinander liegen und damit auch eine höhere
Kontaktfläche haben. Damit kann der Strom besser von einem Partikel zu einem anderen Partikel fließen. Damit dies funktioniert, muss das Pulver freilich elektrisch leitend sein, wie dies bei Aktivkohle der Fall ist.
Durch die oben genannte Ausgestaltung kann der Schallwandler in einfacher Weise zur Schallmessung genutzt werden. Meist dürften hierzu gewöhnlich Mikrofone vorzuziehen sein. Sollte aber der oben geschilderte Schallwandler ohnehin vorhanden sein, kann der Schallwandler mit sehr geringem Aufwand mit der beschriebenen Sensorelektrode ausgestattet werden und zur Schallmessung dienen. Damit kann der oben beschriebene Schalldrucksensor ersetzt werden, bei Bedarf auch ergänzt werden. Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben. Dabei zeigen
Fig. 1 Eine vereinfachte schematische Darstellung einer Membran 1 eines
Schallwandlers mit einem Gehäuse 2, das eine Schicht aus Adsorber-Granulat, z. B. Aktivkohle, enthält, an deren Oberfläche Luft- bzw. Gasmoleküle adsorbiert werden. Im Bereich A befinden sich Luft- bzw. Gasmoleküle, im Bereich B findet Adsorption statt und im Bereich C lässt diese Adsorption nach.
Fig. 2 Eine vereinfachte schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Gehäuses mit Aktivkohle-Pulver, bestehend aus einer hygrisch dichten Kombination aus Membran 1 und einem Gehäuse 2, das ausschließlich mit ungebundenen und im gesamten Gehäuse frei beweglichen Aktivkohle-Partikeln 3 mit Abmessungen von deutlich kleiner als 0, 1 mm gefüllt ist. Durch die vom Schalldruck erregte Bewegung der Partikel erstreckt sich der Bereich B mit Adsorption auf einen größeren Teil des Gehäuses 2. Fig. 3 Eine vereinfachte schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Gehäuses mit Aktivkohle-Pulver, in dem eine metallische Sensorelektrode 4 platziert ist, die eine zum Schallfeld im Gehäuse 2 proportionale Größe erzeugt, die mittels einer Signalverarbeitungseinheit an den Schwingungsantrieb der Membran 1 rückgekoppelt wird.
Ausgangspunkt ist ein in Figur 1 gezeigtes akustisches System, bestehend aus einer Membran 1 , z.B. einer Lautsprechermembran, die als schwingfähig gelagertes
Flächengebilde dient. Die Membran 1 ist Teil eines Gehäuses 2. Die Membran 1 und das Gehäuse 2 sind hygrisch dicht. Dabei ist auch darauf geachtet, dass die Verbindung zwischen Membran 1 und restlichem Gehäuse 2 hygrisch dicht sind. Bei Verwendung elektrodynamischer Konus-Lautsprecher lässt sich dies z.B. mit Kunststoffmembranen oder metallisierten Kunststoffmembranen erreichen, wobei der Lautsprecher umgekehrt, d.h. mit der offenen Seite des Konus in Richtung Gehäuse montiert wird. Die damit vergrößerte Bauhöhe des gesamten Aufbaus aus Lautsprecher und Gehäuse 2 ist zwar unerwünscht, aber akzeptabel, insbesondere bei kleinen Lautsprechern mit flachem Konus und ebensolchen Antriebssystemen. Darüber hinaus ist bei der Montage ein minimaler Feuchtegehalt der Umgebungsluft sicherzustellen. Im Bereich A befinden sich Luft- bzw. Gasmoleküle, im Bereich B findet Adsorption dieser Moleküle statt und im Bereich C lässt diese Adsorption nach, da die Moleküle aus dem Bereich A kaum dorthin gelangen.
Davon ausgehend beruht der technische Lösungsansatz auf der Verwendung von Aktivkohle-Pulver, dessen dominierender Volumenanteil aus Aktivkohle-Partikeln mit einer Größe deutlich kleiner als 1 00 Mikrometer besteht. Diese Größe ist mit einer Masse pro Partikel verbunden, bei der die Gewichtskraft der Partikel mehr und mehr in der Größenordnung der durch den Schalldruck wirkenden Flächenkraft auf die Partikel liegt. Als Anhaltspunkt sei ein Schalldruckpegel oberhalb etwa 50 dB genannt. Es ist zu betonen, dass dieser Wert schwierig zu bestimmen ist und nur als grober Anhaltspunkt zu sehen ist. Die derartig kleinen Aktivkohle-Partikel beginnen, vom Schalldruck ausgelöst, sich zu bewegen. Die Adsorption der Gas- bzw. Luftmoleküle erfolgt daher nicht mehr nur an der statisch verfügbaren Oberfläche der Aktivkohle. Der auf den ersten Blick unscheinbare Schritt zu kleineren Aktivkohle-Partikeln hat überraschende Folgen. Bereits mit einer ca. 50-prozentigen Gehäusefüllung dieser Art lässt sich bei kleinen Wandlern und Gehäusen die akustische Nachgiebigkeit gegenüber Luftfüllung vervierfachen. Bei einem Helmholtz-Resonator oder einem Lautsprechergehäuse bedeutet das eine Halbierung der Resonanzfrequenz, ohne das Gehäuse zu vergrößern. Die bislang publizierte Regel, je mehr Aktivkohle in einem Gehäuse, desto besser, wird damit zumindest relativiert. Sie muss präzisiert lauten, je größer die dynamisch angebotene Oberfläche der Aktivkohle-Partikel, desto besser, da so der Adsorptionseffekt verstärkt wird. Durch die Verkleinerung der Aktivkohle-Partikel im beschallten Gehäuse 2 wird der Oberflächeneffekt Adsorption mit einem dynamischen Volumeneffekt überlagert und verstärkt.
Dies ist in Figur 2 dargestellt. Die Aktivkohlepartikel 3 werden durch den Schalldruck im Gehäuse 2, der durch Bewegungen der Membran 1 hervorgerufen wird, verwirbelt. Die Aktivkohlepartikel 3 werden somit im Gehäuse 2 verwirbelt. Damit erhöht sich gleichsam der Bereich B, in dem sich die Luftmoleküle befinden und sich an die Aktivkohlepartikel anlagern. Bei der Darstellung in Figur 2 ist zu beachten, dass diese wirklich nur schematisch zu verstehen ist. Es ist wie erwähnt keinesfalls erforderlich, dass sich das Pulver im ganzen Gehäuse verteilt. Freilich steht eine solche Verteilung der Funktion nicht entgegen. Der unerwartet ausgeprägte akustische Vorteil der so erreichten Dynamik des
Adsorptionsprozesses ist damit dargestellt. Diese Dynamik lässt sich auch noch auf einem anderen Weg illustrieren. Dazu wird in einem mit derartig feinem Aktivkohle-Pulver 3 gefüllten Gehäuse 2 eine metallische Elektrode 4 platziert und mit einer geringen Gleichspannung vorpolarisiert, wie in Figur 3 zu erkennen. Sobald nun der Lautsprecher Schallschwingungen erzeugt, also die Membran 1 schwingt, stellt sich an dieser Elektrode 4 eine dem Schalldruck proportionale Wechselspannung ein. Die Elektrode 4 wirkt zusammen mit den sich bewegenden Aktivkohle-Partikeln wie ein Mikrofon.
Dieser Effekt erinnert an die früher verwendeten Kohle-Mikrofone, auch wenn dort einfach Kohlegranulat oder Kohlegries verwendet wurde. Dieser Versuch lässt zwar auch vermuten, dass sich das lose, frei bewegliche Aktivkohle-Pulver 3 negativ auswirkt, wenn es die Membran 1 berührt. Ausgiebige Experimente belegen aber, dass dieser Effekt nicht feststellbar ist. Selbst bei umgedrehtem Gehäuse 2, d. h. bei Auflage des
Aktivkohle-Pulvers 3 auf der Membran 1 zeigt sich die vergrößerte akustische
Nachgiebigkeit des Gehäusevolumens 2.
Zugleich bietet die vorpolarisierte Elektrode im Gehäuse eine funktionale
Erweiterungsmöglichkeit an, die in etwas abgewandelter Form z.B. in DE 1 9746645 Verwendung findet. Die zum Schalldruck im Gehäuse 2 proportionale Wechselspannung an der Elektrode entspricht im Prinzip dem Signal eines Mikrofons an gleicher Stelle. Die einfache Metallelektrode ist aber ungleich unempfindlicher gegenüber dem Aktivkohle- Pulver. Die Wechselspannung kann mittels einer Signalverarbeitungseinheit an einen Schwingungsantrieb der Membran 1 rückgekoppelt werden. Das Vorzeichen, die Amplitude und der Frequenzgang der Signalverarbeitungseinheit bestimmen, ob der Schwingungsantrieb z.B. bei tiefen Frequenzen verstärkt (Vorzeichen negativ) und abgeschwächt (Vorzeichen positiv) die Membran 1 antreibt. Es ergibt sich so eine einfache Möglichkeit die akustische Nachgiebigkeit des Gehäuses spektral zu beeinflussen.

Claims

Patentansprüche
Akustisches System, insbesondere Schallwandler, mit einem Gehäuse (2), welches ein Volumen umschließt und bei dem mindestens eine Fläche oder eine Teilfläche durch ein schwingfähig gelagertes Flächengebilde (1 ) gebildet ist, wobei im Volumen Pulver (3) aus adsorbierendem Material mit adsorptionswirksamer Oberfläche vorhanden ist, wobei das Pulver (3) so gewählt ist, dass durch Schwingungen des schwingfähig gelagerten Flächengebildes (1 ) im Volumen eine Bewegung des Pulvers (3) derart erfolgt, dass die adsorptionswirksame
Oberfläche vergrößert wird, wobei das adsorbierende Material derart gewählt ist, dass bei einer Erhöhung des Drucks durch Schwingungen des schwingfähig gelagerten Flächengebildes (1 ) eine Adsorption von im Volumen befindlicher Luft oder Gas erfolgt, wobei das Pulver (3) im Gehäuse (2) frei beweglich ist.
Akustisches System nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass als adsorbierendes Material Aktivkohle gewählt ist.
Akustisches System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Pulver (3) gewählt ist, bei dem ein Massenanteil von mindestens 50% des Pulvers mit einer Korngröße von kleiner als 0,08 mm, bevorzugt kleiner 0,05 mm, besonders bevorzugt kleiner 0,045 mm vorliegt.
Akustisches System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als adsorbierendes Material Carbon Nanotubes gewählt sind.
Akustisches System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das schwingfähig gelagerte Flächengebilde eine Membran (1 ), insbesondere eine Kunststoffmembran ist.
Akustisches System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass außerhalb des Gehäuses (2) eine Antriebseinheit vorhanden ist, mit der das schwingfähig gelagerte Flächengebilde (1 ) zu Schwingungen angeregt werden kann.
7. Akustisches System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Antriebseinheit vorhanden ist, mit der das schwingfähig gelagerte Flächengebilde (1 ) zu Schwingungen angeregt werden kann, wobei die Antriebseinheit unempfindlich gegenüber im Gehäuse (2) vorhandenen Pulver (3) ist.
8. Akustisches System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass das Gehäuse (2) hygrisch dicht ist.
9. Akustisches System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass mehr als die Hälfte des Gehäusevolumens mit Pulver (3) gefüllt ist.
1 0. Akustisches System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass im Gehäuse (2) ein Schalldrucksensor, insbesondere ein Mikrofon, vorhanden ist.
1 1 . Akustisches System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass im Gehäuse (2) eine Sensorelektrode (4) angeordnet ist, derart dass die Anordnung aus Sensorelektrode (4), Pulver (3) und Gehäuse (2) einen elektrischen Stromkreis bildet, dessen Widerstand durch eine
Dichteänderung des Pulvers (3) veränderlich ist, so dass durch eine Messung der Änderung des Widerstandes eine Aussage über Schall, der eine Bewegung des Pulvers (3) bewirkt, möglich ist.
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