EP3005726B1 - Akustisches system mit einem gehäuse mit adsorbierendem pulver - Google Patents

Akustisches system mit einem gehäuse mit adsorbierendem pulver Download PDF

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EP3005726B1
EP3005726B1 EP14734409.7A EP14734409A EP3005726B1 EP 3005726 B1 EP3005726 B1 EP 3005726B1 EP 14734409 A EP14734409 A EP 14734409A EP 3005726 B1 EP3005726 B1 EP 3005726B1
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EP
European Patent Office
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housing
powder
acoustic system
vibrate
activated carbon
Prior art date
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Karlheinz Bay
Michael Leistner
Philipp LEISTNER
Waldemar MAYSENHÖLDER
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Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
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Definitions

  • the application relates to an acoustic system with a housing with adsorbent powder.
  • the compliance of the mostly air-filled cavity volume determines their effect at low frequencies, regardless of whether they are sound generating or attenuating systems. It is true that the larger the volume, the greater the acoustic compliance and the greater the acoustic performance. In order to increase the lack of space, the acoustic compliance of smaller cavities, therefore, manipulations are required. Attempts to achieve this have resulted, inter alia, in filling the housing with absorbent or adsorbent materials. Simply because the absorption is a volume effect, the known porous materials prove to be applicable. However, the effect on increasing the acoustic compliance is both theoretically and practically limited, especially since the volume is just the critical size.
  • 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.
  • these are usually activated carbon, which is used as a coating of moldings or in granular form in the housing, as described in detail later FIG. 1 will be shown.
  • Activated carbon is comparatively inexpensive and readily available. But it also has application-specific disadvantages, one of which is the susceptibility to humidity. Therefore, technical focus Embodiments of charcoal-filled housings, especially in loudspeakers, for protection and handling of moisture in the housings.
  • a loudspeaker arrangement is known.
  • a housing available.
  • a housing wall is partially formed by a membrane.
  • a drive that stimulates the membrane to vibrate.
  • a region in which powdered activated carbon is arranged.
  • the activated carbon is housed in a shell, such as a bag. This prevents above all that the activated carbon in the housing is free to move and damage the drive that stimulates the membrane to vibrate.
  • drives are usually coils with an annular gap. If the fine powdery activated carbon gets there, the drive can be damaged.
  • a telephone transmitter which has a membrane.
  • the membrane is part of a housing wall.
  • the housing encloses a volume.
  • Activated carbon powder is firmly enclosed in one part of the housing.
  • the activated carbon powder serves the electrical line.
  • activated carbon can adsorb gas as a function of pressure.
  • Wikipedia (as of 04.06.2013) as well as in the EP 1 786 410 A1 falsely that A b sorption.
  • 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 to provide, with a housing which encloses a volume and in which at least one surface or a partial surface is formed by a vibratory stored sheet, wherein in the volume powder of adsorbent material with adsorption-effective surface is present, wherein the powder is selected so that a movement of the powder takes place by vibrations of the vibrationally mounted sheet in the volume.
  • the movement must be such that an adsorptive surface is increased, wherein the adsorbent material is selected so that an increase in the pressure due to vibrations of the vibrationally supported sheet adsorption of in-volume air or gas takes place.
  • activated carbon is often chosen because activated carbon has the desired adsorption properties and has a high surface area.
  • the powder of adsorbent material is to be chosen to reduce the stiffness of the transducer so that the vibrations of the vibrationally supported sheet cause a movement of the powder.
  • This teaching is not limited to activated carbon powder with the mentioned grain size.
  • the powder is freely movable in the housing. This goes beyond the said fluidizability.
  • 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 one from the EP 1 868 410 A1 known arrangement, in which the powder is housed in bags, it should thus result in a much better Verwirbeliana, so that the stiffness of the transducer can be lowered more efficiently. In any case, the air can better get to the powder particles and adsorb better there. In addition, a shell around the powder must not hinder the sound entry, so that may increase expensive materials and of course the packaging costs.
  • the invention is also applicable to acoustic systems in which a drive unit is provided, with which the vibrationally mounted sheet can be excited to vibrate
  • activated carbon is selected as the adsorbent material.
  • 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. For example, in a powder which has been sieved to a particle size of 0.05 mm, individual particles with a particle size of almost 0.1 mm are usually also contained.
  • 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 with a particle size range greater than 0.071 mm is less than 25%.
  • carbon nanotubes are selected as the adsorbent material. Carbon nanotubes sometimes have favorable adsorption properties and are well available in the meantime. 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.
  • 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 is limited. It should first be remembered that the adsorption can generally be limited to moist material. In addition, moist powder can only swirl very difficult. Overall, it should be noted that adsorbent materials, such as activated carbon, are often hydrophilic.
  • more than half of the housing volume is filled with powder.
  • the degree of filling it is necessary to balance between two requirements.
  • the highest possible air volume is desirable because a larger volume can be compressed more easily.
  • a high degree of filling with powder is desirable in order to have as much adsorption material as possible. It makes sense to fill more than half of the volume of the housing with powder.
  • a sound pressure sensor in particular a microphone, is present in the housing.
  • the sound pressure in the housing can be better detected and amplified or attenuated depending on the sound pressure by a corresponding control unit, the excitation of the vibrationally mounted 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.
  • 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 have a higher contact surface. This allows the flow to flow better from one particle to another particle.
  • the powder must of course be electrically conductive, as is the case with activated carbon.
  • 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 100 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.
  • FIG. 2 shows 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 only to be understood 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.
  • 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 in FIG. 3 to recognize.
  • 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.
  • the pre-polarized electrode in the housing offers a functional expansion possibility, which in a somewhat modified form, for example in FIG DE 19746645 Use finds.
  • the proportional to the sound pressure in the housing 2 AC voltage at the electrode corresponds in principle to the signal of a microphone at the same place.
  • the simple metal electrode is much less sensitive to the activated carbon powder.
  • the alternating voltage can be fed back to a vibration drive of the diaphragm 1 by means of a signal processing unit.
  • the sign, the amplitude and the frequency response of the signal processing unit determine whether the vibration drive, for example at low frequencies amplified (negative sign) and attenuated (positive sign) drives the membrane 1. This results in a simple way to affect the acoustic compliance of the housing spectrally.

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Description

  • 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 4657108 und US 2004/0251077 , die eine Verdopplung der akustischen Nachgiebigkeit in Aussicht stellen. Praktisch handelt es sich dabei meist um Aktivkohle, die als Beschichtung von Formkörpern oder in granularer 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 2004/0251077 ). Anderseits werden zusätzliche Barrieren oder Verpackungen im Gehäuse beschrieben, welche die Feuchtigkeit von der Aktivkohle fernhalten sollen ( US 4657108 ). 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 granularer 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 4657108 ) 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.
  • Aus der EP 1 786 235 A1 ist ein Lautsprecher System mit einem Gehäuse bekannt. Eine schwingfähige Membran ist gleichsam in einem Teil der Gehäusewand. Im Innenraum des Gehäuses sind Packungen angeordnet, die teilweise mit adsorbierenden Materialien gefüllt sind. Das in den Packungen befindliche Füllgas kann von den adsorbierenden Materialien adsorbiert werden.
  • Aus der US 1 711 410 A ist ein Telefon-Transmitter bekannt, der eine Membran aufweist. Die Membran ist gleichsam Teil einer Gehäusewand. Das Gehäuse schließt ein Volumen ein. In einem Teil des Gehäuses ist Aktivkohlepulver fest eingeschlossen. Das Aktivkohlepulver dient der elekrischen Leitung.
  • Allgemein bekannt ist, dass Aktivkohle Gas druckabhängig adsorbieren kann. Bisweilen wird, etwa in einer Darstellung in Wikipedia (Stand 04.06.2013) wie auch in der der EP 1 786 410 A1 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 durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs 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 C1 beschrieben, gut eingesetzt werden kann. Gibt man in das Volumen des schalldichten Gehäuse der DE 197 46 645 C1 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 100 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 19746645 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 (11)

  1. 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, dadurch gekennzeichnet, dass das Pulver (3) im gesamten Gehäuse (2) frei beweglich ist.
  2. Akustisches System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als adsorbierendes Material Aktivkohle gewählt ist.
  3. 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.
  4. Akustisches System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als adsorbierendes Material Carbon Nanotubes gewählt sind.
  5. Akustisches System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das schwingfähig gelagerte Flächengebilde eine Membran (1), insbesondere eine Kunststoffmembran ist.
  6. 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.
  10. Akustisches System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Gehäuse (2) ein Schalldrucksensor, insbesondere ein Mikrofon, vorhanden ist.
  11. 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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