EP3866488A1 - Federelement, körperschallwandler, lautsprecher und verfahren zur herstellung des federelements - Google Patents

Federelement, körperschallwandler, lautsprecher und verfahren zur herstellung des federelements Download PDF

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EP3866488A1
EP3866488A1 EP21156825.8A EP21156825A EP3866488A1 EP 3866488 A1 EP3866488 A1 EP 3866488A1 EP 21156825 A EP21156825 A EP 21156825A EP 3866488 A1 EP3866488 A1 EP 3866488A1
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EP
European Patent Office
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spring element
strand
continuous fibers
matrix
borne sound
Prior art date
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EP21156825.8A
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French (fr)
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EP3866488C0 (de
EP3866488B1 (de
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Benjamin Grisin
Gerd Falk
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Universitaet Stuttgart
Original Assignee
Universitaet Stuttgart
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Publication date
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    • H04R9/06—Loudspeakers
    • H04R9/066—Loudspeakers using the principle of inertia

Definitions

  • the present invention relates to a spring element, in particular for a structure-borne sound transducer, a structure-borne sound transducer, a loudspeaker, a method for producing a spring element and the use of one or more strands of continuous fibers for a spring element.
  • Structure-borne sound transducer or exciter such as in DE 10 2006 031 433 B4 or in DE 10 2016 118 545 A1 described, especially their induction coils, get very warm during operation. This affects the performance of the structure-borne sound transducer.
  • Structure-borne sound transducers are desirably operated at a constant temperature of, for example, at most 60 ° C.
  • the cooling in structure-borne sound converters is achieved in that, due to the design of the structure-borne sound converters, air can flow around the induction coil.
  • structure-borne sound converters of this type cannot be reduced in size with regard to their structural size.
  • liquid media such as ferrofluids, which are located in the gap between the coil and the magnet, are also used for cooling. Ferrofluids are very expensive, however, which means that the production costs of conventional structure-borne sound transducers are very high.
  • the spring elements used in structure-borne sound converters are exposed to high mechanical loads during operation, which leads to material fatigue in the spring elements.
  • Metal, injection-molded or short-fiber-reinforced injection-molded springs are conventionally used in structure-borne sound converters. The latter have the disadvantage that they have a high degree of rigidity.
  • One aspect of the present invention relates to a spring element, in particular for a structure-borne sound transducer, comprising: a plurality of continuous fibers which are arranged in a strand, the strand being embedded in a matrix made of a matrix material, the matrix having the strand in a predetermined or predeterminable manner and a basic arrangement corresponding to a state of equilibrium of the spring element, and wherein the spring element is heat-dissipating substantially along the strand.
  • the plurality of continuous fibers comprises carbon fibers.
  • the plurality of continuous fibers can also be a plurality of carbon fibers.
  • each continuous fiber of the plurality of continuous fibers can be a carbon fiber.
  • the spring elements according to the invention have lower stiffnesses and thus reduced material fatigue phenomena, as a result of which the life of such a spring element can be approximately 35 years or more.
  • the inventor has recognized that such a particularly advantageous, break-proof and elastic spring element can be constructed in particular through the use of continuous fibers.
  • the spring element can dissipate heat in a direction along the fibers that is predetermined by the basic arrangement of the strand, ie in the longitudinal direction of the fibers.
  • efficient cooling in particular of an induction coil of a structure-borne sound transducer, can be achieved.
  • the inventor has also recognized that such a spring element can move along the fibers in a direction predetermined by the basic arrangement of the strand, ie. H. in the longitudinal direction of the fibers, is electrically conductive. As a result, an electrical power supply to the induction coil of the structure-borne sound transducer can be provided via the spring element without further cabling.
  • the spring element can be manufactured in a simpler and more cost-effective manner.
  • structure-borne sound converters can be made more compact and lighter.
  • the weight of a structure-borne sound transducer can be adapted to a body to be excited to vibrate.
  • basic arrangement is to be understood as an arrangement or shape of the strand which the strand and in particular the spring element assumes in the equilibrium state or in the unloaded state of the spring element and from which the strand can be deflected resiliently when a force is applied to the spring element .
  • the basic arrangement can also be referred to as an equilibrium arrangement.
  • strand is to be understood as a bundle of continuous fibers.
  • continuous fibers are to be understood as meaning fibers which have a certain minimum length in contrast to short and / or long fibers.
  • Short fibers are less than 1 mm in length.
  • Long fibers have a length greater than or equal to 1 mm and less than 10 mm.
  • the continuous fibers of the plurality of continuous fibers preferably have a length greater than or greater than or equal to 10 mm, in particular 20 mm.
  • each continuous fiber of the plurality of continuous fibers has a length greater than or greater than or equal to 10 mm, in particular 20 mm.
  • the continuous fibers of the plurality of continuous fibers can also have a length greater than or greater than or equal to 3 cm, in particular 50 cm.
  • each continuous fiber of the plurality of continuous fibers can have a length greater than or greater than or equal to 3 cm, in particular 50 cm.
  • the plurality of continuous fibers in particular each of the plurality of continuous fibers, preferably has a maximum length of approximately 100 mm.
  • the large number of continuous fibers, in particular each of the large number of continuous fibers can have a maximum length of exactly 100 mm.
  • the multiplicity of continuous fibers, in particular each of the multiplicity of continuous fibers can also have a maximum length of 20 to 40 cm, 60 to 80 cm or 100 cm. According to the name, the maximum length of the continuous fibers can in principle be endless or unlimited. As a result, the maximum length of the continuous filaments of the plurality of continuous filaments may exceed the maximum length of 1 m. The maximum length can even be 10 m and more.
  • the filaments of the plurality of filaments are the same length.
  • 99 percent of the continuous fibers of the plurality of continuous fibers have the same length.
  • all of the continuous fibers of the plurality of continuous fibers have the same length.
  • the spring element can also comprise continuous fibers of different lengths.
  • the length of the strand fixed in the basic arrangement preferably corresponds approximately to the length of the large number of continuous fibers, in particular each of the large number of continuous fibers.
  • the length of the strand fixed in the basic arrangement can correspond exactly to the length of the multiplicity of continuous fibers, in particular the length of each of the multiplicity of continuous fibers. Interruptions, for example tears or breaks, can occur within the continuous fibers, so that the length of the strand can correspond to the length of 95 to 98 percent, in particular 99 percent, of the continuous fibers of the multitude of continuous fibers.
  • the length of the strand can roughly correspond to the longest continuous fiber of the plurality of continuous fibers.
  • the bundle preferably comprises exclusively carbon fibers or the bundle consists exclusively of carbon fibers.
  • Carbon fibers have the advantage that they have very good heat-conducting and current-conducting properties along one of their longitudinal directions or in the axial direction.
  • the multitude of continuous fibers can, however, also comprise glass fibers or a mixture of carbon and glass fibers, or the multitude of continuous fibers can consist exclusively of glass fibers or be a mixture of carbon and glass fibers.
  • the plurality of continuous fibers can be a hybrid yarn.
  • the plurality of continuous fibers can also be pitch-based carbon fibers.
  • the continuous fibers can be, for example, HTS and / or UMS and / or UHT and / or IMS fibers, etc., which can be conventionally purchased from NGF, Toho Tenax, SGL Carbon or Zolltek, for example.
  • the multiplicity of continuous fibers which can have at least two continuous fibers, is arranged in a strand.
  • the string is preferably essentially uninterrupted.
  • “essentially uninterrupted” means that the strand or the bundle of continuous fibers has no interruption points and the strand can extend almost continuously, apart from a few points.
  • the strand or bundle can also be completely uninterrupted.
  • the strand can also be arranged in a plurality of turns of the plurality of continuous fibers.
  • the individual continuous fibers which form the strand are also preferably arranged essentially without interruption in the strand or within the strand or in relation to the strand. It is also possible for the individual continuous fibers to have no interruption points and to extend almost continuously, apart from a few points. The individual continuous fibers can also be completely uninterrupted.
  • An essentially uninterrupted strand of continuous fibers and / or essentially uninterrupted individual continuous fibers can advantageously ensure improved heat dissipation and current conduction of the spring element.
  • the continuous fibers can also be arranged in the strand or within the strand or in relation to the strand by means of scarfing, or the continuous fibers can be shanked.
  • the length of the overlap of shanked continuous fibers can be, for example, between 5 mm and 10 mm.
  • the cross-section of the spring element can be varied in the longitudinal direction by scarfing the continuous fibers and thus the mechanical, thermal and electrical properties of the spring element can be adapted in sections to the technical conditions.
  • the strand or bundle preferably contains 500 or more continuous fibers, preferably 1000 or more continuous fibers.
  • the strand can have a cross section, the cross section having an area between approximately 0.4 mm 2 and approximately 40 mm 2 .
  • the cross section of the strand can be circular or polygonal, for example.
  • At least two continuous fibers of the plurality of continuous fibers in the strand are oriented essentially identically.
  • at least two continuous fibers of the plurality of continuous fibers in the strand are oriented essentially identically along their longitudinal direction.
  • at least two continuous fibers of the plurality of continuous fibers are arranged parallel to one another in the strand.
  • all of the continuous fibers of the plurality of continuous fibers in the strand can be arranged parallel to one another.
  • the at least two continuous fibers or all continuous fibers of the plurality of continuous fibers can be arranged parallel to one another in a length volume element of the strand.
  • the infinitesimal volume element dV describes an infinitesimally thin section of the strand.
  • the cross-sectional area can also functionally depend on the location (x , y , z ) as a function A ( x, y, z ) .
  • the spring element can also have several strands.
  • the strands are preferably connected to one another.
  • the strands are particularly preferably connected to one another by the matrix.
  • the strand is embedded in the matrix made of the specific matrix material and fixed by means of this in the basic arrangement, which corresponds to the arrangement or shape of the strand and thus also of the spring element in the state of equilibrium or in the unloaded state of the spring element .
  • Matrix materials can be, for example, plastics such as epoxy resin, thermoplastics or similar suitable substances or silicon.
  • the matrix is used to transfer forces to the continuous fibers.
  • the strands are preferably connected to one another by means of the matrix material.
  • the matrix advantageously gives the strand and thus the continuous fibers the necessary shape, in particular mechanical stability or statics and flexibility or elasticity, for a spring element. Without the matrix, the properties of the continuous fibers could not be used for a spring element. Due to the embedding in the matrix, the spring element has a high tensile strength, in particular due to the tensile strength of continuous fibers such as carbon fibers, along the strand and the spring element can be moved in a direction that deviates from the longitudinal direction of the strand, such as transverse to the strand , resiliently deflected from the basic arrangement or from the state of equilibrium of the spring element, d. H. feathers.
  • the basic arrangement of the strand is preferably essentially planar. This means that the strand in the basic arrangement assumes a planar structure or structure lying in one plane.
  • the strand can be fixed in the basic arrangement in such a way that the strand extends horizontally and / or vertically along a longitudinal direction or axial direction of the strand.
  • the strand can be designed in a spiral shape.
  • the spring element can be deflected and resilient transversely to the strand, for example vertically, for example.
  • the strand Before the strand is fixed in the basic arrangement, the strand can be arranged by means of laying. Alternatively, the strand can have been arranged on a substrate by means of embroidery.
  • the substrate can in particular comprise or be a carbon fleece or a glass fiber fleece or a composite or mixed material.
  • the strand can also have been arranged by means of the “Tailored Fiber Placement” method (TFP).
  • controllable or controlled arrangement by means of laying, embroidering, etc. can determine and / or set the direction in which the spring element is intended to dissipate heat.
  • the arrangement, in particular the basic arrangement, of the strand is decisive for the direction in which heat can be dissipated via the spring element.
  • the strand or strands can also be arranged by means of weaving, winding or gluing.
  • the plurality of continuous fibers are preferably embedded in the matrix by means of infiltration with the matrix material.
  • each continuous fiber of the plurality of continuous fibers can be surrounded by the matrix material by means of infiltration.
  • the fiber volume content of the spring element can advantageously be increased by means of infiltration.
  • fiber volume content is to be understood as the volume ratio of continuous fibers to matrix material. A fiber volume content close to one enables an improvement in the mechanical and thermal properties of the spring element.
  • the spring element preferably has a fiber volume content of 1: 1, ie 50% fibers and 50% matrix material. More preferably, the spring element has a Fiber volume content of 5: 6, ie approximately 55% fibers and approximately 45% matrix material. Even more preferably, the spring element has a fiber volume content of 3: 2, ie 60% fibers and 40% matrix material.
  • a structure-borne sound transducer comprising: a connection element, an element generating a magnetic field, an oscillating body for transmitting vibrations based on an electromagnetic input signal to a body, and the spring element according to the first aspect, the spring element with the connection element in such a way is connected that the oscillating body is able to oscillate relative to the connecting element.
  • a durable and compact structure-borne sound transducer with a low weight can be provided in a simple and inexpensive manner. Furthermore, because of the good heat dissipation properties or cooling properties of the spring element, the structure-borne sound transducer can operate at a constant temperature and overheating can be avoided. In addition, through the cooling effect of the spring element, the weight of the structure-borne sound transducer, in particular of the vibrating body, can be adapted to the body to be excited for oscillation and thus offers an additional degree of freedom in the construction of the structure-borne sound transducer.
  • a voluminous and massive heat sink as has to be used regularly in conventional loudspeakers, can be avoided.
  • a dedicated heat sink can be completely dispensed with.
  • the spring element can also advantageously ensure the electrical power supply, as a result of which the structure-borne sound transducer can manage without further cabling in the interior that supply the induction coil with power.
  • connection element is connected to the body or connected to the body by means of the connection element.
  • This connection or connection can be made, for example, by means of gluing.
  • the connecting element can also, like the spring element, comprise one or more strands of a multiplicity of continuous fibers embedded in a matrix of a matrix material.
  • the connecting element but can also consist of one or more strands made of a multitude of continuous fibers embedded in a matrix made of a matrix material.
  • the connection element and the spring element can be connected to one another. Furthermore, the connection element and the spring element can be designed in one piece.
  • connection element in particular comprising continuous carbon fibers, can further improve the cooling of the structure-borne sound transducer and transmit sound in particular to the body.
  • the structure-borne sound transducer preferably has a housing.
  • the housing can be designed to be essentially cylindrical.
  • the housing can be formed from a non-magnetizable material, in particular metal.
  • the housing can also have a connection for feeding in the electromagnetic input signal.
  • the electromagnetic input signal can be transmitted from an audio source by means of an optical cable, coaxial cable, etc. or wirelessly via radio, Bluetooth, WLAN, etc., for example.
  • the connection can comprise or be an input socket on the housing or comprise or be a receiving antenna.
  • the connection can also comprise an electrical connection in order to supply the structure-borne sound converter with voltage or electrical energy.
  • the spring element can be connected to the housing, for example by means of gluing or another suitable connection technique, or while the strand is being embedded in the matrix.
  • the element generating the magnetic field preferably comprises a coil.
  • the element generating the magnetic field is a coil.
  • the element generating the magnetic field can comprise a permanent magnet, in particular the element generating the magnetic field can be a permanent magnet.
  • the oscillating body is preferably a permanent magnet.
  • the oscillating body can comprise, in particular be, a coil.
  • the vibrating body can be formed from a material in which electrical eddy currents can be induced by an external magnetic field.
  • the body can, for example, be an oscillatory plate, in particular a membrane, glass plate or metal plate.
  • the body can be a foil.
  • the body can also be made of a soft and / or suitably tensioned material such as leather, paper, cardboard, etc.
  • the spring element can comprise carbon fibers.
  • Carbon fibers also have the advantageous property that they transmit sounds very quickly, since the speed of sound for carbon fibers can be up to 18,000 meters per second.
  • a loudspeaker comprising: the structure-borne sound transducer according to the invention, and a body.
  • a compact, light and cost-effective loudspeaker can be realized which can be used, for example, in aircraft construction. Furthermore, due to the structure-borne sound transducer, the loudspeaker has fewer performance losses due to or during operation of the loudspeaker, since the susceptibility to overheating can be reduced and the mechanical components, in particular the spring element of the structure-borne sound transducer, are less fatigued and have a longer service life.
  • the weight of the loudspeaker in particular of the vibrating body of the structure-borne sound transducer, can be adapted to the body to be excited to vibrate and thus offers an additional degree of freedom in the construction of the loudspeaker.
  • the body is preferably an oscillatory plate, in particular a membrane, glass plate or metal plate.
  • the body can be a foil.
  • the body can also be made of a soft and / or suitably tensioned material such as leather, paper, cardboard, etc.
  • Another aspect relates to a method for producing a spring element, the method comprising the following steps: arranging a strand made of a plurality of continuous fibers, embedding the strand in a matrix made of a matrix material, and fixing the strand in a predetermined and an equilibrium state of the spring element corresponding basic arrangement by means of the matrix.
  • the method can be used to provide a light, long-lasting and cost-effective spring element with lower stiffness and thus reduced material fatigue. Furthermore, with the method during the manufacture of the spring element, the cooling properties of the spring element, in particular the direction in which the spring element can dissipate heat, can be predetermined or set.
  • the spring element can dissipate heat in a direction predetermined by the basic arrangement of the strand, as a result of which efficient cooling, in particular of the induction coil of a structure-borne sound transducer, can be achieved.
  • the method can produce the spring element according to the first aspect. Accordingly, what has been explained, in particular the embodiments and features described, also apply with regard to the spring element mentioned in relation to the method.
  • arranging the strand includes laying the strand or embroidering the strand on a substrate.
  • the substrate can comprise, in particular, be a carbon fleece or a glass fiber fleece or a composite or mixed material.
  • the substrate can be a carbon fabric or a glass fiber fabric or a fabric comprising carbon fibers and / or glass fibers.
  • the strand can also be arranged by winding, weaving, or gluing.
  • the arrangement of the strand preferably includes that the strand can be arranged essentially without interruption.
  • the strand can be arranged almost continuously with the exception of a few interruption points.
  • the strand can, however, also be arranged completely continuously, in particular without interruption, in one step.
  • strands can also be arranged in shanks or arranged through shanks.
  • embedding the strand includes infiltrating the plurality of filaments with the matrix material.
  • the embedding can in particular include surrounding the multiplicity of continuous fibers with the matrix material.
  • the embedding can include that the strand is completely impregnated with the matrix material, so that each continuous fiber of the plurality of continuous fibers is surrounded by the matrix or the matrix material.
  • the fixing preferably includes hardening of the matrix material.
  • the matrix material in which the strand is embedded can comprise or be liquid plastic or liquid silicon.
  • the liquid matrix material can be sent and / or poured over the strand for embedding the strand.
  • Another aspect relates to the use of one or more strands of a multiplicity of continuous fibers for a heat-dissipating spring element according to the invention.
  • a light, mechanically resistant and inexpensive spring element can be provided.
  • the spring element can be designed through the use of continuous fibers in such a way that the spring element can conduct and dissipate heat and sound in a predeterminable direction due to the arrangement or orientation of the strand or strands of continuous fibers.
  • the use can aim at the production or manufacture of the spring element according to the first aspect. Accordingly, what has been explained applies, in particular the described embodiments and features of the spring element, also with regard to the use of said spring element.
  • Figure 1 shows two examples (a) and (b) for arranging one or more strands 14 from a plurality of continuous fibers 12.
  • the continuous fibers 12 are carbon fibers.
  • the strands 14 are arranged on a substrate 18 by means of embroidery.
  • the substrate 18 is in both examples (a) and (b) a carbon fiber fleece.
  • the substrate 18 can also be a glass fiber fleece.
  • Example (a) shows a trident or crow's foot arrangement of one or more strands 14.
  • the arrangement shown can be implemented by a continuous, uninterrupted strand 14.
  • the strand 14 can also be divided into three or more strands 14 or bifurcated, the strands being connected to one another.
  • Example (b) shows a circular arrangement of a strand 14 of continuous fibers 12.
  • the strand 14 in example (b) is arranged on the substrate 18 continuously and without interruptions, apart from a start and end point (not shown here) which coincide here .
  • the strands 14 of examples (a) and (b) can also be laid or deposited on a substrate and thereby arranged.
  • the strands 14 can be placed in a casting mold or placed in a casting mold.
  • the strands are preferably placed on the ground without being connected to a substrate.
  • the strands 14 can, however, also be woven, glued or wound and thus arranged on a base or a substrate 18.
  • Figures 2 (a) , 2 B) and 2 (c) show three more examples of arranging using embroidery as in Figure 1 (a) and 1 (b) .
  • the Figures 2 (a) , 2 B) and 2 (c) represent photographs of real arrangement patterns that cannot be represented as black and white line drawings.
  • Figure 3 shows on the left a finished spring element 10 in its basic arrangement or equilibrium arrangement.
  • a strand 14 made of a multiplicity of continuous fibers 12 is embroidered onto a substrate 18, such as a carbon fiber fleece or a glass fiber fleece, for example.
  • the substrate 18 protruding beyond the arranged strand 14 can already be removed now or later and the remaining one can be removed
  • the strand arranged on the substrate 18 together with the remaining substrate 18 is arranged in the desired basic arrangement or equilibrium arrangement or shaped in such a way that the strand 14 together with the remaining substrate 18 adopts the basic arrangement or equilibrium arrangement.
  • the strand 14 can be brought into the desired basic arrangement or equilibrium arrangement, for example by means of a casting mold, template or a similar shaping structure.
  • the shaped strand 14 is now embedded in a matrix 16. This can be done in that the strand 14 is infiltrated by a matrix material such as liquid plastic (for example epoxy resin), so that as far as possible every single continuous fiber 12 in the strand 14 is surrounded by the matrix material.
  • a matrix material such as liquid plastic (for example epoxy resin)
  • the matrix material is then cured, as a result of which the strand 14 is fixed in the desired basic arrangement and the finished spring element 10 is produced in the desired equilibrium arrangement.
  • FIG. 3 For further illustration there is the on the right Figure 3 a section (small volume element) of the spiral spring element 10 is shown.
  • the section shows how the strand 14 is completely embedded in the matrix 16.
  • the fiber volume content is around 80%.
  • the individual continuous fibers 12 are arranged parallel to one another in the longitudinal direction of the strand 14.
  • the spring element 10 (left side of the Figure 3 ) has, due to the basic arrangement of the strand 14, two directions R1 and R2 which are essentially different from one another. In the direction R1, the spring element 10 can oscillate or spring resiliently. In the direction R2, which runs in the axial direction or in the longitudinal direction of the fixed strand 14, the spring element can conduct and / or dissipate heat and also sound via the continuous fibers 12.
  • the directions R1 and R2 are approximately orthogonal to one another for the embodiment of the spring element 10 shown.
  • Figure 4 shows, by way of example, the heat flow through a strand 14 made of a multiplicity of continuous fibers 12, in particular carbon fibers, and how the heat can be dissipated via the strand 14.
  • Figure 5 shows a cross section of a possible embodiment of a structure-borne sound transducer 20, which has the spring element 10 according to one aspect.
  • Figure 5 also serves to clarify the inventive concept.
  • the structure-borne sound transducer 20 has a heat and sound conducting structure or a connection element 22, a connection surface 29, a magnet as an oscillating body 26, a coil as a magnetic field generating element 24, an aluminum sheet 25 and a heat and spring structure or a spring element 10 according to the invention on.
  • the structure-borne sound transducer 20 is cylindrical and has a centrally and axially arranged through opening.
  • the magnet 26 has an annular gap which can completely accommodate the coil 24 in the equilibrium state of the spring element 10 or when the structure-borne sound transducer 30 is switched off.
  • An aluminum sheet 25 is arranged between the coil 24 and the connection element 22, which also extends into the annular gap, and connects the coil 24 and the connection element 22.
  • the spring element 10 extends essentially in the radial direction and connects the connecting element 22 and the magnetically mounted magnet 26.
  • connection element 22 of the structure-borne sound transducer 20 is arranged via a connection surface 29, for example by means of gluing, to a vibratable body 28, for example a membrane.
  • connection element 22 is glued to the body 28 via the connection surface 29.
  • the body 28 can for example also be a vibratory membrane, as is usually used for loudspeakers, or a thin plate.
  • the plate can be made of glass, metal or cardboard, for example.
  • the body 28 can also be part of it a vehicle interior and / or exterior trim, a piece of furniture, a wall, a wall cladding, etc. be.
  • the magnetic field of the coil 24 interacts with the magnetic field of the permanent magnet or the vibrating body 26 and the vibrating body 26 is moved in the direction R1 depending on the polarity of the magnetic fields to one another, deforming the spring element 10 moved away from or towards the spool 24.
  • the vibrating body 26 transmits vibrations corresponding to the input signal, i.e. an audio signal, via the connecting element 22 to the body 28.
  • the body 28 then transmits the audio signal to the surrounding, sound-conducting medium, which can be air, for example.
  • the coil 24 becomes increasingly hotter.
  • the heat is dissipated from the coil 24 in the direction R2 via the spring element 10 according to the invention. This makes it possible for the structure-borne sound converter 20 to work at a constant temperature. Alternatively or additionally, the heat can be dissipated radially outward via the connection element 22.
  • Figure 6 shows a cross section of a further embodiment of a structure-borne sound transducer 20 according to the invention.
  • the embodiment of the structure-borne sound transducer 20 shown also has a metallic housing 23.
  • the magnet or the oscillating body 26 is attached to an inside of the housing 23.
  • the vibrating body 26 is a permanent magnet.
  • the housing 23 can also optionally have a connection 30 via which an electromagnetic input signal, which contains audio signals from an audio source, can be fed into the structure-borne sound converter 20 for conversion into structure-borne sound.
  • the connection 30 can be, for example, a receiving antenna for radio signals.
  • the element 24 generating the magnetic field is a coil 24 through which an electric current flows in accordance with the input signal that is fed in and generating a homogeneous magnetic field inside the coil.
  • the coil 24 is over the spring element 10, which is made up, for example, of several strands 14 arranged in a star shape, as for example in example (a) of the Figure 1 shown, assembled, resiliently connected or coupled to the inner wall of the housing 23, whereby the housing 23 is resiliently mounted.
  • the coil 24 can be connected to a body 28 (not shown) by means of a connecting element 22.
  • the connecting element 22 can be glued, welded or connected to the body (not shown) in some other conventional manner.
  • the connecting element 22 is movable relative to the housing 23, so that the housing 23 and the connecting element can oscillate relative to one another.
  • the mode of operation of the structure-borne sound transducer 20 shown is the same as in the embodiment in FIG Figure 5 with the difference that the magnet 26 and the housing 23 are excited to vibrate by the coil 24.
  • Figure 7 Figure 4 shows one embodiment of a speaker 40 in accordance with one aspect.
  • the loudspeaker 40 has the structure-borne sound transducer 20 as in FIG Figure 6 and the body 28 on.
  • the structure-borne sound transducer 20 described and the loudspeaker 40 are particularly durable, low-fatigue, light and compact due to the spring element 10 and can be efficiently cooled during operation via the spring element 10 and / or via the connecting element 22.
  • Figure 8 shows the variability of the cross section of a spring element 10 according to the invention.
  • the cross section can be achieved by scarfing individual strands 14, in particular individual continuous fibers 12.
  • the cross section can be changed locally by the amount of matrix material.
  • FIG. 8 shows a schematic exploded view of the structure-borne sound transducer 20 from FIG Figure 5 .
  • the spring element 10 is not shown here.
  • Figure 10 shows two photographic recordings of a further embodiment of the structure-borne sound transducer 20 according to the invention.
  • the recordings cannot be represented as black and white line drawings.
  • the present invention can provide a spring element for a structure-borne sound transducer or an exciter.
  • Structure-borne sound converters are loudspeakers without a loudspeaker membrane.
  • a structure-borne sound transducer can be attached to a mounting plate so that an oscillatable mass can transmit vibrations to the plate. The plate excited in this way then emits a music or speech signal.
  • Structure-borne sound transducers or exciters can get very warm, especially at higher powers, and cooling can therefore become important. Furthermore, material fatigue / creep in the spring element (an important component of an exciter) can be reduced. The invention can thus improve the cooling and the mechanical properties of the spring element and thus also of a structure-borne sound transducer.
  • the spring element in the structure-borne sound transducer can be produced from, for example, continuous fibers (carbon or carbon or glass fibers; e.g. CFRP) embedded in a plastic matrix.
  • continuous fibers carbon or carbon or glass fibers; e.g. CFRP
  • the mechanical properties can be improved by means of a variable cross section of the spring elements by scarfing the continuous fibers in the continuous fiber-reinforced spring element.
  • the present invention in particular the spring element, can achieve improved cooling, weight reduction, low creep / fatigue behavior, a lower damping factor in the case of continuous fibers, and thus a higher degree of efficiency with regard to a structure-borne sound transducer.
  • the present invention can be used to influence the heat flow in a targeted manner and to control the mechanical properties in a targeted manner.
  • Variable cross-sections of the spring element according to the invention can be brought about over their length by scarfing one or more strands of continuous fibers of the spring element.
  • Figure 11 shows different photographic views of a structure-borne sound transducer known in the prior art.
  • the spring element is manufactured as a short-fiber-reinforced injection molding. Alternatively, the spring element is punched from metal.
  • the structure-borne sound transducer shown is cooled by a liquid medium located in the gap between the coil and the magnet, or by the free convection of air on the coil surface.
  • Spring elements produced by injection molding result in material fatigue due to changes in cross-section. This is countered in the prior art by reinforcing the injection molding with short fibers.
  • short fibers have the disadvantage that they are arranged amorphously and cannot be specifically aligned in order to influence the mechanical and heat-dissipating properties of a spring element and thus of a structure-borne sound transducer.
  • spring elements reinforced with short fibers have high rigidity.
  • the present invention provides in particular an improved spring element, an improved structure-borne sound transducer and an improved loudspeaker.

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Abstract

Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Federelement, insbesondere für einen Körperschallwandler, umfassend: eine Vielzahl von Endlosfasern, die in einem Strang angeordnet sind, wobei der Strang in einer Matrix aus einem Matrixmaterial eingebettet ist, wobei die Matrix den Strang in einer vorbestimmten oder vorbestimmbaren und einem Gleichgewichtszustand des Federelements entsprechenden Grundanordnung fixiert, und wobei das Federelement im Wesentlichen entlang des Strangs wärmeabführend ist. Weitere Aspekte betreffen einen Körperschallwandler, einen Lautsprecher, ein Verfahren zur Herstellung des Federelements und eine Verwendung eines oder mehrerer Stränge aus einer Vielzahl von Endlosfasern für ein Federelement.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Federelement insbesondere für einen Körperschallwandler, einen Körperschallwandler, einen Lautsprecher, ein Verfahren zur Herstellung eines Federelements sowie eine Verwendung eines oder mehrerer Stränge von Endlosfasern für ein Federelement.
  • Körperschallwandler bzw. Exciter, wie zum Beispiel in DE 10 2006 031 433 B4 oder in DE 10 2016 118 545 A1 beschrieben, insbesondere ihre Induktionsspulen, werden im Betrieb sehr warm. Das beeinträchtigt die Leistung der Körperschallwandler. Körperschallwandler werden wünschenswerterweise bei einer konstanten Temperatur von zum Beispiel höchstens 60° C betrieben. Herkömmlicherweise wird die Kühlung in Körperschallwandler dadurch erzielt, dass bedingt durch die Bauweise der Körperschallwandler Luft die Induktionsspule umströmen kann. Dies führt dazu, dass derartige Körperschallwandler hinsichtlich ihrer Baugröße nicht verkleinert werden können. Alternativ kommen zum Kühlen auch flüssige Medien wie Ferroflüssigkeiten zum Einsatz, die sich im Spalt zwischen Spule und Magnet befinden. Ferroflüssigkeiten sind jedoch sehr teuer, wodurch die Herstellungskosten herkömmlicher Körperschallwandler sehr hoch sind.
  • Außerdem sind die in Körperschallwandlern eingesetzten Federelemente im Betrieb hohen mechanischen Belastungen ausgesetzt, wodurch es zu Materialermüdungen in den Federelementen kommt. Herkömmlicherweise kommen in Körperschallwandlern Metall-, Spritzguss- oder kurzfaserverstärkte Spritzgussfedern zum Einsatz. Letztere haben den Nachteil, dass sie hohe Steifigkeiten aufweisen.
  • Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein mechanisch widerstandsfähiges Federelement bereitzustellen, das einfach, kompakt und kostengünstig gefertigt werden kann und wodurch eine effiziente und zielgerichtete Kühlung, insbesondere eines Körperschallwandlers, erreicht werden kann.
  • Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen ergeben sich aus den entsprechenden abhängigen Patentansprüchen.
  • Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Federelement, insbesondere für einen Körperschallwandler, umfassend: eine Vielzahl von Endlosfasern, die in einem Strang angeordnet sind, wobei der Strang in einer Matrix aus einem Matrixmaterial eingebettet ist, wobei die Matrix den Strang in einer vorbestimmten oder vorbestimmbaren und einem Gleichgewichtszustand des Federelements entsprechenden Grundanordnung fixiert, und wobei das Federelement im Wesentlichen entlang des Strangs wärmeabführend ist.
  • Vorzugsweise umfasst die Vielzahl von Endlosfasern Kohlenstofffasern. Die Vielzahl von Endlosfasern kann auch eine Vielzahl von Kohlenstofffasern sein. Insbesondere kann jede Endlosfaser der Vielzahl von Endlosfasern eine Kohlenstofffaser sein.
  • Vorteilhafterweise weisen die Federelemente gemäß der Erfindung geringere Steifigkeiten und damit verringerte Materialermüdungserscheinungen auf, wodurch die Lebenszeit eines solchen Federelements in etwa 35 Jahre oder mehr betragen kann.
  • Der Erfinder hat erkannt, dass so ein besonders vorteilhaftes, bruchfestes und elastisches Federelement insbesondere durch die Verwendung von Endlosfasern konstruiert werden kann. Außerdem kann das Federelement in eine durch die Grundanordnung des Strangs vorgegebene Richtung entlang der Fasern, d. h. in Faserlängsrichtung, Wärme abführen. Dadurch kann eine effiziente Kühlung insbesondere einer Induktionsspule eines Körperschallwandlers erreicht werden.
  • Der Erfinder hat weiterhin erkannt, dass ein derartiges Federelement in eine durch die Grundanordnung des Strangs vorgegebene Richtung entlang der Fasern, d. h. in Faserlängsrichtung, elektrisch leitfähig ist. Dadurch kann eine elektrische Stromzufuhr der Induktionsspule des Körperschallwandlers über das Federelement ohne weitere Verkabelungen bereitgestellt werden.
  • Ferner kann das Federelement einfacher und kostengünstiger gefertigt werden. Durch den Einsatz des Federelements insbesondere in Körperschallwandlern können Körperschallwandler kompakter und mit geringerem Gewicht gefertigt werden. Insbesondere kann das Gewicht eines Körperschallwandlers an einen zur Schwingung anzuregenden Körper angepasst werden.
  • Im Rahmen dieser Beschreibung ist unter "Grundanordnung" eine Anordnung bzw. Form des Strangs zu verstehen, die der Strang und insbesondere das Federelement im Gleichgewichtszustand bzw. im unbelasteten Zustand des Federelements einnimmt und aus der der Strang bei Krafteinwirkung auf das Federelement rückstellfähig ausgelenkt werden kann. Die Grundanordnung kann auch als Gleichgewichtsanordnung bezeichnet werden.
  • Im Rahmen dieser Beschreibung ist unter "Strang" ein Bündel von Endlosfasern zu verstehen.
  • Im Rahmen dieser Beschreibung sind unter "Endlosfasern" Fasern zu verstehen, die eine bestimmte Mindestlänge in Abgrenzung zu Kurz- und/oder Langfasern aufweisen. Kurzfasern haben eine Länge kleiner als 1 mm. Langfasern haben eine Länge größer gleich 1 mm und kleiner als 10 mm. Vorzugsweise haben die Endlosfasern der Vielzahl von Endlosfasern eine Länge größer oder größer gleich 10 mm, insbesondere 20 mm. Insbesondere hat jede Endlosfaser der Vielzahl von Endlosfasern eine Länge größer oder größer gleich 10 mm, insbesondere 20 mm. Die Endlosfasern der Vielzahl von Endlosfasern können auch eine Länge größer oder größer gleich 3 cm, insbesondere 50 cm, haben. Insbesondere kann jede Endlosfaser der Vielzahl von Endlosfasern eine Länge größer oder größer gleich 3 cm, insbesondere 50 cm, haben.
  • Vorzugsweise hat die Vielzahl von Endlosfasern, insbesondere jede der Vielzahl von Endlosfasern, eine Höchstlänge von etwa 100 mm. Die Vielzahl von Endlosfasern, insbesondere jede der Vielzahl von Endlosfasern, kann eine Höchstlänge von genau 100 mm haben. Die Vielzahl von Endlosfasern, insbesondere jede der Vielzahl von Endlosfasern, kann auch eine Höchstlänge von 20 bis 40 cm, 60 bis 80 cm oder 100 cm haben. Dem Namen nach kann die Höchstlänge der Endlosfasern im Prinzip endlos oder unbegrenzt sein. Folglich kann die Höchstlänge der Endlosfasern der Vielzahl von Endlosfasern die Höchstlänge von 1 m übersteigen. Die Höchstlänge kann sogar 10 m und größer sein.
  • Vorzugsweise haben 95 bis 98 Prozent der Endlosfasern der Vielzahl von Endlosfasern die gleiche Länge. Insbesondere haben 99 Prozent der Endlosfasern der Vielzahl von Endlosfasern die gleiche Länge. Weiter vorzugsweise haben alle Endlosfasern der Vielzahl von Endlosfasern die gleiche Länge. Das Federelement kann auch Endlosfasern unterschiedlicher Längen umfassen.
  • Vorzugsweise entspricht die Länge des in der Grundanordnung fixierten Strangs in etwa der Länge der Vielzahl von Endlosfasern, insbesondere jeder der Vielzahl von Endlosfasern. Die Länge des in der Grundanordnung fixierten Strangs kann genau der Länge der Vielzahl von Endlosfasern, insbesondere der Länge jeder der Vielzahl von Endlosfasern, entsprechen. Innerhalb der Endlosfasern können Unterbrechungen, zum Beispiel Risse oder Brüche, auftreten, sodass die Länge des Strangs mit der Länge von 95 bis 98 Prozent, insbesondere 99 Prozent, der Endlosfasern der Vielzahl von Endlosfasern übereinstimmen kann. Die Länge des Strangs kann in etwa mit der längsten Endlosfaser der Vielzahl von Endlosfasern übereinstimmen.
  • Vorzugsweise umfasst das Bündel ausschließlich Kohlenstofffasern oder das Bündel besteht ausschließlich aus Kohlenstofffasern.
  • Kohlenstofffasern haben den Vorteil, dass sie entlang einer ihrer Längsrichtungen bzw. in axialer Richtung sehr gute wärmeleitende und stromleitende Eigenschaften haben.
  • Die Vielzahl von Endlosfasern kann aber auch Glasfasern oder eine Mischung aus Kohlenstoff- und Glasfasern umfassen oder die Vielzahl von Endlosfasern kann ausschließlich aus Glasfasern bestehen oder eine Mischung aus Kohlenstoff- und Glasfasern sein. Die Vielzahl von Endlosfasern kann ein Hybridgarn sein. Die Vielzahl von Endlosfasern können auch pechbasierte Kohlenstofffasern sein.
  • Die Endlosfasern können zum Beispiel HTS- und/oder UMS- und/oder UHT und/oder IMS-Fasern, etc. sein, die z.B. bei der Firma NGF, Toho Tenax, SGL Carbon oder Zolltek herkömmlich erworben werden können.
  • Die Vielzahl von Endlosfasern, die mindestens zwei Endlosfasern aufweisen kann, ist in einem Strang angeordnet.
  • Vorzugsweise ist der Strang im Wesentlichen unterbrechungsfrei. "im Wesentlichen unterbrechungsfrei" bedeutet im Rahmen dieser Beschreibung, dass der Strang bzw. das Bündel von Endlosfasern keine Unterbrechungsstellen aufweist und sich der Strang nahezu durchgehend, abgesehen von wenigen Stellen, erstrecken kann. Der Strang bzw. das Bündel kann auch vollständig unterbrechungsfrei sein.
  • Der Strang kann auch in einer Vielzahl von Windungen der Vielzahl von Endlosfasern angeordnet sein.
  • Auch die einzelnen Endlosfasern, die den Strang bilden, sind vorzugsweise im Wesentlichen unterbrechungsfrei in dem Strang bzw. innerhalb des Strangs bzw. zu dem Strang angeordnet. Es ist auch möglich, dass die einzelnen Endlosfasern keine Unterbrechungsstellen aufweisen und sich nahezu durchgehend, abgesehen von wenigen Stellen, erstrecken. Die einzelnen Endlosfasern können auch vollständig unterbrechungsfrei sein.
  • Vorteilhafterweise kann durch einen im Wesentlichen unterbrechungsfreien Strang von Endlosfasern und/oder im Wesentlichen unterbrechungsfreie einzelne Endlosfasern eine verbesserte Wärmeabführung und Stromleitung des Federelements gewährleistet werden.
  • Die Endlosfasern können auch mittels Schäftung in dem Strang bzw. innerhalb des Strangs bzw. zu dem Strang angeordnet sein oder die Endlosfasern können geschäftet sein. Die Überlappungslänge geschäfteter Endlosfasern kann zum Beispiel zwischen 5 mm und 10 mm sein.
  • Vorteilhafterweise kann durch Schäftung der Endlosfasern der Querschnitt des Federelements in Längsrichtung variiert werden und somit die mechanischen, thermischen und elektrischen Eigenschaften des Federelements abschnittsweise den technischen Gegebenheiten angepasst werden.
  • Vorzugsweise enthält der Strang bzw. das Bündel 500 oder mehr Endlosfasern, bevorzugt 1000 oder mehr Endlosfasern. Der Strang kann einen Querschnitt aufweisen, wobei der Querschnitt eine Fläche zwischen etwa 0,4 mm2 und etwa 40 mm2 hat. Der Querschnitt des Strangs kann zum Beispiel kreisförmig oder polygonal ausgebildet sein.
  • Vorzugsweise sind zumindest zwei Endlosfasern der Vielzahl von Endlosfasern in dem Strang im Wesentlichen gleich ausgerichtet. Besonders bevorzugt sind zumindest zwei Endlosfasern der Vielzahl von Endlosfasern in dem Strang entlang derer Längsrichtung im Wesentlichen gleich ausgerichtet. Insbesondere sind zumindest zwei Endlosfasern der Vielzahl von Endlosfasern in dem Strang parallel zueinander angeordnet. Ferner können alle Endlosfasern der Vielzahl von Endlosfasern in dem Strang parallel zueinander angeordnet sein. Insbesondere können die zumindest zwei Endlosfasern oder alle Endlosfasern der Vielzahl von Endlosfasern in einem Längenvolumenelement des Strangs parallel zueinander angeordnet sein.
  • Als "Längenvolumenelement" wird im Rahmen dieser Beschreibung das infinitesimale Volumenelement des Strangs bezeichnet, das sich durch die mathematische Beziehung dV = A dl bei konstanter Querschnittsfläche definieren lässt, wobei A die Querschnittsfläche des Strangs und dl eine infinitesimale Länge des Strangs ist. Das infinitesimale Volumenelement dV beschreibt einen infinitesimal dünnen Schnitt des Strangs. Die Querschnittsfläche kann auch funktional vom Ort (x, y, z) abhängen als Funktion A(x, y, z).
  • Das Federelement kann auch mehrere Stränge aufweisen. Vorzugsweise sind die Stränge miteinander verbunden. Besonders bevorzugt sind die Stränge durch die Matrix miteinander verbunden.
  • Für das Federelement gemäß dem ersten Aspekt wird der Strang in die Matrix aus dem bestimmten Matrixmaterial eingebettet und mittels dieser in der Grundanordnung, die der Anordnung bzw. Form des Strangs und somit auch des Federelements im Gleichgewichtszustand bzw. im unbelasteten Zustand des Federelements entspricht, fixiert. Matrixmaterialien können zum Beispiel Kunststoffe wie Epoxidharz, Thermoplaste oder ähnlich geeignete Stoffe oder Silizium sein.
  • Die Matrix dient dazu, Kräfte auf die Endlosfasern zu übertragen.
  • Vorzugsweise sind die Stränge mittels des Matrixmaterials miteinander verbunden.
  • Vorteilhafterweise verleiht die Matrix dem Strang und damit den Endlosfasern die notwendige Formgebung, insbesondere mechanische Stabilität bzw. Statik und Flexibilität bzw. Elastizität, für ein Federelement. Ohne die Matrix könnten die Eigenschaften der Endlosfasern nicht für ein Federelement genutzt werden. Durch das Einbetten in die Matrix weist das Federelement eine hohe Zugfestigkeit, insbesondere aufgrund der Zugfestigkeit von Endlosfasern wie zum Beispiel Kohlenstofffasern, entlang des Strangs auf und das Federelement kann in einer Richtung, die von der Längsrichtung des Strangs abweicht, wie zum Beispiel quer zum Strang, rückstellfähig aus der Grundanordnung bzw. aus dem Gleichgewichtszustand des Federelements ausgelenkt werden, d. h. federn.
  • Vorzugsweise ist die Grundanordnung des Strangs im Wesentlichen planar. Das bedeutet, dass der Strang in der Grundanordnung eine planare bzw. in einer Ebene liegende Struktur annimmt. Alternativ kann der Strang derart in der Grundanordnung fixiert sein, dass sich der Strang entlang einer Längsrichtung bzw. Axialrichtung des Strangs horizontal und/oder vertikal erstreckt. Beispielsweise kann der Strang spiralförmig ausgebildet sein.
  • Im Falle, dass sich der Strang entlang seiner Axialrichtung in einer Gerade horizontal erstreckt, bezogen auf ein erdfestes Koordinatensystem, kann das Federelement quer zum Strang, zum Beispiel vertikal, rückstellfähig ausgelenkt werden und federn.
  • Vor der Fixierung des Strangs in der Grundanordnung kann der Strang mittels Legens angeordnet worden sein. Alternativ kann der Strang mittels Stickens auf einem Substrat angeordnet worden sein. Das Substrat kann insbesondere ein Kohlenstoffvlies oder ein Glasfaservlies oder einen Verbund- bzw. Mischstoff umfassen bzw. sein. Der Strang kann ferner mittels des "Tailored Fiber Placement"-Verfahrens (TFP) angeordnet worden sein.
  • Vorteilhafterweise kann durch das kontrollierbare bzw. kontrollierte Anordnen mittels Legens, Stickens, etc. die Richtung, in die das Federelement wärmeabführend sein soll, festgelegt und/oder eingestellt werden. Die Anordnung, insbesondere die Grundanordnung, des Strangs ist maßgeblich für die Richtung, in die Wärme über das Federelement abgeführt werden kann.
  • Der Strang kann oder die Stränge können auch mittels Webens, Wickelns oder Klebens angeordnet werden.
  • Vorzugsweise ist die Vielzahl von Endlosfasern in die Matrix mittels Infiltration mit dem Matrixmaterial eingebettet. Mittels Infiltration kann insbesondere jede Endlosfaser der Vielzahl von Endlosfasern von dem Matrixmaterial umgeben werden bzw. sein.
  • Vorteilhafterweise kann mittels Infiltration der Faservolumengehalt des Federelements erhöht werden. Unter "Faservolumengehalt" ist im Rahmen dieser Beschreibung das Volumenverhältnis von Endlosfasern zu Matrixmaterial zu verstehen. Ein Faservolumengehalt nahe Eins ermöglicht eine Verbesserung der mechanischen und thermischen Eigenschaften des Federelements.
  • Vorzugsweise weist das Federelement einen Faservolumengehalt von 1 : 1, d. h. 50 % Fasern und 50 % Matrixmaterial, auf. Weiter bevorzugt weist das Federelement einen Faservolumengehalt von 5 : 6, d. h. ungefähr 55 % Fasern und ungefähr 45 % Matrixmaterial, auf. Noch weiter bevorzugt weist das Federelement einen Faservolumengehalt von 3 : 2, d. h. 60 % Fasern und 40 % Matrixmaterial, auf.
  • Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft einen Körperschallwandler, umfassend: ein Anbindungselement, ein Magnetfeld erzeugendes Element, einen Schwingkörper zur Übertragung von Schwingungen basierend auf einem elektromagnetischen Eingangssignal auf einen Körper, und das Federelement gemäß dem ersten Aspekt, wobei das Federelement mit dem Anbindungselement derart verbunden ist, dass der Schwingkörper relativ zu dem Anbindungselement schwingungsfähig ist.
  • Vorteilhafterweise kann aufgrund des Federelements auf einfache und kostengünstige Weise ein langlebiger und kompakter Körperschallwandler mit geringem Gewicht bereitgestellt werden. Ferner kann der Körperschallwandler wegen der guten Wärmeabführeigenschaften bzw. Kühleigenschaften des Federelements bei konstanter Temperatur arbeiten und Überhitzung kann vermieden werden. Außerdem kann durch die Kühlungswirkung des Federelements das Gewicht des Körperschallwandlers, insbesondere des Schwingkörpers, an den zur Schwingung anzuregenden Körper angepasst werden und bietet so einen zusätzlichen Freiheitsgrad in der Konstruktion des Körperschallwandlers. Vorteilhafterweise kann insbesondere ein voluminöser und massiver Kühlkörper, wie er bei herkömmlichen Lautsprechern regelmäßig eingesetzt werden muss, vermieden werden. Besonders bevorzugt kann vollständig auf einen dedizierten Kühlkörper verzichtet werden.
  • Weiter vorteilhafterweise kann das Federelement wie bereits oben beschrieben die elektrische Stromzufuhr gewährleisten, wodurch der Körperschallwandler ohne weitere Verkabelungen im Inneren, die die Induktionsspule mit Strom versorgen, auskommen kann.
  • Mittels des Anbindungselements wird der Körperschallwandler mit dem Körper verbunden bzw. an den Körper angebunden. Diese Verbindung bzw. Anbindung kann zum Beispiel mittels Klebens erfolgen. Das Anbindungselement kann ebenfalls, wie das Federelement, einen oder mehrere in einer Matrix aus einem Matrixmaterial eingebettete Stränge aus einer Vielzahl von Endlosfasern umfassen. Das Anbindungselement kann aber auch aus einem oder mehreren in einer Matrix aus einem Matrixmaterial eingebetteten Strängen aus einer Vielzahl von Endlosfasern bestehen. Das Anbindungselement und das Federelement können miteinander verbunden sein. Ferner können das Anbindungselement und das Federelement einteilig ausgebildet sein.
  • Vorteilhafterweise kann das Anbindungselement, insbesondere umfassend Kohlenstoffendlosfasern, die Kühlung des Körperschallwandlers weiter verbessern und Schall besonders auf den Körper übertragen.
  • Vorzugsweise weist der Körperschallwandler ein Gehäuse auf. Das Gehäuse kann im Wesentlichen zylindrisch ausgebildet sein. Das Gehäuse kann aus einem nicht magnetisierbaren Werkstoff, insbesondere Metall, geformt sein. Das Gehäuse kann außerdem einen Anschluss zum Einspeisen des elektromagnetischen Eingangssignals aufweisen.
  • Das elektromagnetische Eingangssignal kann zum Beispiel mittels eines optischen Kabels, Koaxialkabels, etc. oder drahtlos über Funk, Bluetooth, WLAN, etc. von einer Audioquelle übertragen werden. Der Anschluss kann eine Eingangsbuchse am Gehäuse umfassen bzw. sein oder eine Empfangsantenne umfassen bzw. sein. Der Anschluss kann auch einen elektrischen Anschluss umfassen, um den Körperschallwandler mit Spannung bzw. elektrischer Energie zu versorgen.
  • Das Federelement kann zum Beispiel mittels Klebens oder einer anderen geeigneten Verbindungstechnik oder während des Einbettens des Strangs in die Matrix mit dem Gehäuse verbunden werden.
  • Vorzugsweise umfasst das Magnetfeld erzeugende Element eine Spule. Insbesondere ist das Magnetfeld erzeugende Element eine Spule. Alternativ oder zusätzlich kann das Magnetfeld erzeugende Element einen Permanentmagneten umfassen, insbesondere kann das Magnetfeld erzeugende Element ein Permanentmagnet sein.
  • Vorzugsweise ist der Schwingkörper ein Permanentmagnet. Alternativ oder zusätzlich kann der Schwingkörper eine Spule umfassen, insbesondere sein. Der Schwingkörper kann aus einem Material gebildet sein, in dem durch ein äußeres Magnetfeld elektrische Wirbelströme induziert werden können.
  • Der Körper kann zum Beispiel eine schwingungsfähige Platte, insbesondere eine Membran, Glasplatte oder Metallplatte, sein. Der Körper kann eine Folie sein. Der Körper kann auch aus einem weichen und/oder geeignet gespannten Material wie zum Beispiel Leder, Papier, Karton, etc. sein.
  • Wie bereits oben erwähnt kann das Federelement Kohlenstofffasern umfassen. Kohlenstofffasern haben außerdem die vorteilhafte Eigenschaft, dass sie Töne sehr schnell übertragen, da die Schallgeschwindigkeit für Kohlenstofffasern bis zu 18000 Meter pro Sekunde betragen kann.
  • Ein weiterer Aspekt betrifft einen Lautsprecher, umfassend: den Körperschallwandler gemäß der Erfindung, und einen Körper.
  • Vorteilhafterweise kann aufgrund der kompakten, leichten und kostengünstigen Bauweise des Körperschallwandlers ein kompakter, leichter und kostengünstiger Lautsprecher realisiert werden, der beispielsweise im Flugzeugbau eingesetzt werden kann. Ferner hat der Lautsprecher aufgrund des Körperschallwandlers weniger Leistungseinbußen durch oder während des Betriebs des Lautsprechers, da die Anfälligkeit für Überhitzungen reduziert werden kann und die mechanischen Bauteile, insbesondere das Federelement des Körperschallwandlers, ermüdungsärmer und langlebiger sind. Außerdem kann durch die Kühlungswirkung des Federelements das Gewicht des Lautsprechers, insbesondere des Schwingkörpers des Körperschallwandlers, an den zur Schwingung anzuregenden Körper angepasst werden und bietet so einen zusätzlichen Freiheitsgrad in der Konstruktion des Lautsprechers.
  • Vorzugsweise ist der Körper eine schwingungsfähige Platte, insbesondere eine Membran, Glasplatte oder Metallplatte. Der Körper kann eine Folie sein. Der Körper kann auch aus einem weichen und/oder geeignet gespannten Material wie zum Beispiel Leder, Papier, Karton, etc. sein.
  • Ein weiterer Aspekt betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Federelements, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: Anordnen eines Strangs aus einer Vielzahl von Endlosfasern, Einbetten des Strangs in einer Matrix aus einem Matrixmaterial, und Fixieren des Strangs in einer vorbestimmten und einem Gleichgewichtszustand des Federelements entsprechenden Grundanordnung mittels der Matrix.
  • Vorteilhafterweise kann mit dem Verfahren ein leichtes, langlebiges und kostengünstiges Federelement mit geringeren Steifigkeiten und somit verringerten Materialermüdungserscheinungen bereitgestellt werden. Ferner können mit dem Verfahren während der Fertigung des Federelements die Kühleigenschaften des Federelements, insbesondere die Richtung, in die das Federelement Wärme abführen kann, vorbestimmt bzw. eingestellt werden.
  • Außerdem kann das Federelement in eine durch die Grundanordnung des Strangs vorgegebene Richtung Wärme abführen, wodurch eine effiziente Kühlung insbesondere der Induktionsspule eines Körperschallwandlers erreicht werden kann.
  • Das Verfahren kann das Federelement gemäß dem ersten Aspekt erzeugen. Demnach gilt das Erläuterte, insbesondere die beschriebenen Ausführungsformen und Merkmale, auch hinsichtlich des in Bezug auf das Verfahren genannten Federelements.
  • Vorzugsweise schließt das Anordnen des Strangs ein Legen des Strangs oder ein Sticken des Strangs auf einem Substrat ein. Wie bereits erwähnt kann das Substrat ein Kohlenstoffvlies oder ein Glasfaservlies oder einen Verbund- bzw. Mischstoff umfassen, insbesondere sein. Das Substrat kann ein Kohlenstoffgewebe oder ein Glasfasergewebe oder ein Gewebe umfassend Kohlenstofffasern und/oder Glasfasern sein.
  • Der Strang kann auch durch Wickeln, Weben oder Kleben angeordnet werden.
  • Vorzugsweise schließt das Anordnen des Strangs ein, dass der Strang im Wesentlichen unterbrechungsfrei angeordnet werden kann. Mit anderen Worten kann der Strang nahezu durchgehend bis auf wenige Unterbrechungsstellen angeordnet werden. Der Strang kann aber auch komplett durchgehend, kontinuierlich, insbesondere ohne Unterbrechung in einem Schritt angeordnet werden.
  • Mehrere Stränge können auch geschäftet angeordnet werden bzw. durch Schäften angeordnet werden.
  • Vorzugsweise schließt das Einbetten des Strangs ein Infiltrieren der Vielzahl von Endlosfasern mit dem Matrixmaterial ein. Das Einbetten kann insbesondere ein Umgeben der Vielzahl von Endlosfasern mit dem Matrixmaterial einschließen. Mit anderen Worten kann das Einbetten umfassen, dass der Strang vollständig mit dem Matrixmaterial durchtränkt ist, so dass jede Endlosfaser der Vielzahl von Endlosfasern von der Matrix bzw. dem Matrixmaterial umgeben ist.
  • Vorzugsweise schließt das Fixieren ein Aushärten des Matrixmaterials ein. Beispielsweise kann das Matrixmaterial, in das der Strang eingebettet wird, flüssiger Kunststoff oder flüssiges Silizium umfassen bzw. sein. Das flüssige Matrixmaterial kann für die Einbettung des Strangs über den Strang geschickt und/oder gegossen werden.
  • Ein weiterer Aspekt betrifft eine Verwendung eines oder mehrerer Stränge aus einer Vielzahl von Endlosfasern für ein wärmeabführendes Federelement gemäß der Erfindung.
  • Vorteilhafterweise kann durch die Verwendung eines oder mehrerer Stränge aus einer Vielzahl von Endlosfasern, wie bereits oben beschrieben, ein leichtes, mechanisch widerstandsfähiges und kostengünstiges Federelement bereitgestellt werden. Obendrein kann das Federelement durch die Verwendung von Endlosfasern derart gestaltet werden, dass das Federelement bedingt durch die Anordnung bzw. Orientierung des oder der Stränge von Endlosfasern in eine vorbestimmbare Richtung Wärme und Schall leiten und abführen kann.
  • Die Verwendung kann die Erzeugung bzw. Herstellung des Federelements gemäß dem ersten Aspekt zum Ziel haben. Demnach gilt das Erläuterte, insbesondere die beschriebenen Ausführungsformen und Merkmale des Federelements, auch hinsichtlich der Verwendung des genannten Federelements.
  • Es folgt die Beschreibung der Figuren, die der Veranschaulichung einiger Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dienen. Es versteht sich, dass einzelne Merkmale zu weiteren Ausführungsformen kombiniert werden können.
  • Es zeigen:
    • Figur 1(a) und 1(b) schematische Skizzen zu zwei Beispielen des Anordnens eines oder mehrerer Stränge aus der Vielzahl von Endlosfasern,
    • Figur 2(a) , 2(b) und 2(c) fotografische Aufnahmen zu drei weiteren Beispielen des Anordnens eines oder mehrerer Stränge aus der Vielzahl von Endlosfaser,
    • Figur 3 eine schematische Skizze zu einer Ausführungsform eines Federelements gemäß eines Aspekts,
    • Figur 4 eine schematische Skizze zum Wärmefluss durch einen Strang aus einer Vielzahl von Endlosfasern,
    • Figur 5 eine schematische Skizze eines Querschnitts einer möglichen Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Körperschallwandlers,
    • Figur 6 eine schematische Skizze eines Querschnitts einer weiteren möglichen Ausführungsform eines Körperschallwandlers gemäß eines Aspekts,
    • Figur 7 eine schematische Skizze zu einer Ausführungsform eines Lautsprechers gemäß eines Aspekts,
    • Figur 8 eine schematische Skizze zum veränderlichen Querschnitt in einem erfindungsgemäßen endlosfaserverstärkten Federelement,
    • Figur 9 eine Explosionsansicht des Körperschallwandlers aus Figur 5,
    • Figur 10 eine fotografische Aufnahme einer weiteren möglichen Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Körperschallwandlers, und
    • Figur 11 eine fotografische Aufnahme eines Körperschallwandlers gemäß dem Stand der Technik.
  • Figur 1 zeigt zwei Beispiele (a) und (b) für das Anordnen eines oder mehrerer Stränge 14 aus einer Vielzahl von Endlosfasern 12. In den vorliegenden Beispielen (a) und (b) sind die Endlosfasern 12 Kohlenstofffasern. In beiden Beispielen (a) und (b) sind die Stränge 14 mittels Stickens auf einem Substrat 18 angeordnet. Das Substrat 18 ist in beiden Beispielen (a) und (b) ein Kohlefaservlies. Das Substrat 18 kann auch ein Glasfaservlies sein.
  • Beispiel (a) zeigt eine Dreizack- bzw. Krähenfußanordnung eines oder mehrerer Stränge 14. Die gezeigte Anordnung kann durch einen durchgehenden, unterbrechungsfreien Strang 14 realisiert sein. Der Strang 14 kann sich aber auch, wie in Beispiel (a) gezeigt, in drei oder mehr Stränge 14 aufteilen bzw. gabeln, wobei die Stränge miteinander verbunden sind.
  • Beispiel (b) zeigt eine Kreisanordnung eines Strangs 14 aus Endlosfasern 12. Der Strang 14 in Beispiel (b) ist kontinuierlich und ohne Unterbrechungen, abgesehen von einem Anfangs- und Endpunkt (hier nicht gezeigt), die hier zusammenfallen, auf dem Substrat 18 angeordnet.
  • Alternativ können die Stränge 14 der Beispiele (a) und (b) auch auf einen Untergrund gelegt bzw. abgelegt werden und dadurch angeordnet werden. Zum Beispiel können die Stränge 14 in eine Gussform gelegt bzw. in einer Gussform abgelegt werden. Vorzugsweise sind die Stränge ohne mit einem Substrat verbunden zu sein auf dem Untergrund gelegt.
  • Die Stränge 14 können aber auch gewebt, geklebt oder gewickelt werden und so auf einem Untergrund oder einem Substrat 18 angeordnet werden.
  • Die Figuren 2(a) , 2(b) und 2(c) zeigen drei weitere Beispiele für das Anordnen mittels Stickens wie in Figur 1(a) und 1(b). Die Figuren 2(a), 2(b) und 2(c) stellen Fotografien echter Anordnungsmuster dar, die sich nicht als schwarz-weiße Strichzeichnungen darstellen lassen.
  • Figur 3 zeigt auf der linken Seite ein fertiges Federelement 10 in seiner Grundanordnung bzw. Gleichgewichtsanordnung. Um zu der gezeigten Spiralform des Federelements 10 zu gelangen, wird zum Beispiel ein Strang 14 aus einer Vielzahl von Endlosfasern 12 auf ein Substrat 18, wie zum Beispiel ein Kohlefaservlies oder ein Glasfaservlies, gestickt. Das über den angeordneten Strang 14 hinaus überstehende Substrat 18 kann bereits jetzt oder auch später entfernt werden und der verbleibende auf dem Substrat 18 angeordnete Strang samt verbliebenem Substrat 18 wird in der gewünschten Grundanordnung bzw. Gleichgewichtsanordnung angeordnet bzw. derart geformt, dass der Strang 14 samt dem verbliebenen Substrat 18 die Grundanordnung bzw. Gleichgewichtsanordnung annimmt. Der Strang 14 kann zum Beispiel mittels einer Gussform, Schablone oder einer ähnlichen formgebenden Struktur in die gewünschte Grundanordnung bzw. Gleichgewichtsanordnung gebracht werden.
  • Der in Form gebrachte Strang 14 wird nun in einer Matrix 16 eingebettet. Das kann dadurch geschehen, dass der Strang 14 von einem Matrixmaterial wie flüssigem Kunststoff (zum Beispiel Epoxidharz) infiltriert wird, sodass möglichst jede einzelne Endlosfaser 12 in dem Strang 14 von dem Matrixmaterial umgeben wird.
  • Anschließend wird das Matrixmaterial ausgehärtet, wodurch der Strang 14 in der gewünschten Grundanordnung fixiert wird und das fertige Federelement 10 in der gewünschten Gleichgewichtsanordnung entsteht.
  • Zur weiteren Veranschaulichung ist auf der rechten Seite der Figur 3 ein Schnitt (kleines Volumenelement) des spiralförmigen Federelements 10 gezeigt. Der Schnitt zeigt, wie der Strang 14 vollständig in der Matrix 16 eingebettet ist. Der Faservolumengehalt liegt bei etwa 80 %. Die einzelnen Endlosfasern 12 sind in dem gezeigten Schnitt bzw. innerhalb des gezeigten Volumenelements in Längsrichtung des Strangs 14 parallel zueinander angeordnet.
  • Das Federelement 10 (linke Seite der Figur 3) weist bedingt durch die Grundanordnung des Strangs 14 zwei im Wesentlichen voneinander unterschiedliche Richtungen R1 und R2 auf. In Richtung R1 kann das Federelement 10 rückstellfähig schwingen bzw. federn. In Richtung R2, die in Axialrichtung bzw. in Längsrichtung des fixierten Strangs 14 verläuft, kann das Federelement über die Endlosfasern 12 Wärme und auch Schall leiten und/oder abführen.
  • Die Richtungen R1 und R2 sind für die gezeigte Ausführungsform des Federelements 10 näherungsweise orthogonal zueinander.
  • Figur 4 zeigt beispielhaft den Wärmefluss durch einen Strang 14 aus einer Vielzahl von Endlosfasern 12, insbesondere Kohlenstofffasern, und wie die Wärme über den Strang 14 hinweg abgeführt werden kann.
  • Figur 5 zeigt einen Querschnitt einer möglichen Ausführungsform eines Körperschallwandlers 20, der das Federelement 10 gemäß einem Aspekt aufweist. Figur 5 dient ferner dazu, dass erfinderische Konzept zu verdeutlichen.
  • Der Körperschallwandler 20 weist eine Wärme- und Schallleitstruktur bzw. ein Anbindungselement 22, eine Anbindungsfläche 29, einen Magneten als Schwingkörper 26, eine Spule als Magnetfeld erzeugendes Element 24, ein Alublech 25 und eine Wärme- und Federstruktur bzw. ein Federelement 10 gemäß der Erfindung auf.
  • Der Körperschallwandler 20 ist zylindrisch ausgebildet und weist eine mittig und axial angeordnete Durchgangsöffnung auf. Der Magnet 26 weist einen ringförmigen Spalt auf, der im Gleichgewichtszustand des Federelements 10 bzw. im ausgeschalteten Zustand des Körperschallwandlers 30 die Spule 24 vollständig aufnehmen kann. Zwischen der Spule 24 und dem Anbindungselement 22, welches sich ebenfalls in den ringförmigen Spalt erstreckt, ist ein Aluminiumblech bzw. Alublech 25 angeordnet und verbindet die Spule 24 und das Anbindungselement 22.
  • Das Federelement 10 erstreckt sich im Wesentlichen in radialer Richtung und verbindet das Anbindungselement 22 und den schwingbar gelagerten Magneten 26.
  • Über eine Anbindungsfläche 29 ist das Anbindungselement 22 des Körperschallwandlers 20 zum Beispiel mittels Klebens an einem schwingbaren Körper 28, zum Beispiel einer Membran, angeordnet.
  • Zur Erzeugung von Körperschall ist in der gezeigten Ausführungsform das Anbindungselement 22 mit dem Körper 28 über die Anbindungsfläche 29 verklebt. Der Körper 28 kann hierbei zum Beispiel auch eine schwingungsfähige Membran, wie sie üblicherweise für Lautsprecher verwendet wird, oder dünne Platte sein. Die Platte kann zum Beispiel aus Glas, Metall oder Karton sein. Der Körper 28 kann auch Bestandteil einer Fahrzeuginnen- und/oder -außenverkleidung, eines Möbelstücks, einer Wand, einer Wandverkleidung, usw. sein.
  • Fließt elektrischer Strom aufgrund eines elektromagnetischen Eingangssignals (Audiosignal) durch die Spule 24, so wechselwirkt das Magnetfeld der Spule 24 mit dem Magnetfeld des Permanentmagneten bzw. des Schwingkörpers 26 und der Schwingkörper 26 wird in Richtung R1 je nach Polung der Magnetfelder zueinander unter Verformung des Federelements 10 von der Spule 24 wegbewegt oder zu ihr hinbewegt. Nach einer kurzen Einschwingphase überträgt der Schwingkörper 26 dem Eingangssignal entsprechende Schwingungen, also ein Audiosignal, über das Anbindungselement 22 auf den Körper 28. Der Körper 28 überträgt das Audiosignal dann an das umgebende, schallleitende Medium, welches zum Beispiel Luft sein kann.
  • Durch den Stromfluss durch die Spule 24 wird die Spule 24 zunehmend heißer. Die Wärme wird über das erfindungsgemäße Federelement 10 in Richtung R2 von der Spule 24 abgeführt. Dadurch kann bewerkstelligt werden, dass der Körperschallwandler 20 bei konstanter Temperatur arbeiten kann. Alternativ oder zusätzlich kann die Wärme über das Anbindungselement 22 radial nach außen abgeführt werden.
  • Figur 6 zeigt einen Querschnitt einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Körperschallwandlers 20.
  • Die gezeigte Ausführungsform des Körperschallwandlers 20 weist zudem ein metallisches Gehäuse 23 auf. An einer Innenseite des Gehäuses 23 ist der Magnet bzw. der Schwingkörper 26 angebracht. Der Schwingkörper 26 ist ein Permanentmagnet. Das Gehäuse 23 kann ferner optional einen Anschluss 30 aufweisen, über den ein elektromagnetisches Eingangssignal, das Audiosignale von einer Audioquelle beinhaltet, in den Körperschallwandler 20 zur Umwandlung in Körperschall eingespeist werden kann. Der Anschluss 30 kann zum Beispiel eine Empfangsantenne für Funksignale sein.
  • Das Magnetfeld erzeugende Element 24 ist eine Spule 24, durch die dem eingespeisten Eingangssignal entsprechend ein elektrischer Strom fließt, der ein homogenes Magnetfeld im Inneren der Spule erzeugt.
  • Die Spule 24 ist über das Federelement 10, das sich zum Beispiel aus mehreren sternförmig angeordneten Strängen 14, wie zum Beispiel in Beispiel (a) der Figur 1 gezeigt, zusammensetzt, mit der Innenwand des Gehäuses 23 rückstellfähig verbunden oder gekoppelt, wodurch das Gehäuse 23 federnd gelagert ist.
  • Die Spule 24 ist mit einem Verbindungselement 22 mit einem (nicht gezeigten) Körper 28 verbindbar. Insbesondere kann das Verbindungselement 22 geklebt, verschweißt oder auf eine andere herkömmliche Art mit dem (nicht gezeigten) Körper verbunden sein. Insbesondere ist das Verbindungselement 22 relativ zu dem Gehäuse 23 bewegbar, so dass das Gehäuse 23 und das Verbindungselement relativ zueinander schwingen können.
  • Die Funktionsweise des gezeigten Körperschallwandlers 20 ist die gleiche wie bei der Ausführungsform in Figur 5 mit dem Unterschied, dass der Magnet 26 und das Gehäuse 23 zum Schwingen angeregt werden durch die Spule 24.
  • Figur 7 zeigt eine Ausführungsform eines Lautsprechers 40 gemäß eines Aspekts.
  • Der Lautsprecher 40 weist den Körperschallwandler 20 wie in Figur 6 beschrieben und den Körper 28 auf.
  • Der beschriebene Körperschallwandler 20 und der Lautsprecher 40 sind aufgrund des Federelements 10 besonders langlebig, ermüdungsarm, leicht und kompakt und können während des Betriebs über das Federelement 10 und/oder über das Verbindungselement 22 effizient gekühlt werden.
  • Figur 8 zeigt die Variabilität des Querschnitts eines erfindungsgemäßen Federelements 10. Einerseits kann der Querschnitt durch Schäftung einzelner Stränge 14, insbesondere einzelner Endlosfasern 12, erreicht werden. Andererseits kann der Querschnitt durch die Menge an Matrixmaterial lokal verändert werden.
  • Figur 9 zeigt eine schematische Explosionsansicht des Körperschallwandlers 20 aus Figur 5. Das Federelement 10 ist hier nicht gezeigt.
  • Figur 10 zeigt zwei fotografische Aufnahmen einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Körperschallwandlers 20. Die Aufnahmen lassen sich nicht als schwarz-weiße Strichzeichnungen darstellen.
  • Zusammenfassend kann durch die vorliegende Erfindung ein Federelement für einen Körperschallwandler bzw. einen Exciter bereitgestellt werden. Körperschallwandler sind hierbei Lautsprecher ohne Lautsprechermembran. Ein Körperschallwandler kann auf einer Montageplatte befestigt werden, so dass eine schwingfähige Masse Schwingungen auf die Platte übertragen kann. Die so angeregte Platte strahlt dann ein Musik- oder Sprachsignal ab. Körperschallwandler bzw. Exciter können besonders bei höheren Leistungen sehr warm werden und die Kühlung kann somit wichtig werden. Weiterhin kann Materialermüdung/Kriechen im Federelement (ein wichtiges Bauteil eines Exciters) verringert werden. Die Erfindung kann somit die Kühlung und die mechanischen Eigenschaften des Federelementes und damit auch eines Körperschallwandlers verbessern.
  • Das Federelement in dem Körperschallwandler kann aus zum Beispiel in einer Kunststoffmatrix eingebetteten Endlosfasern (Carbon- bzw. Kohlenstoff oder Glasfasern; z. B. CFK) hergestellt werden. Bestimmte Endlosfasern, insbesondere Kohlenstofffasern, haben eine sehr gute Wärmeleitfähigkeit und mit einer geeigneten Faserorientierung kann der Wärmefluss auch gesteuert werden. Die mechanischen Eigenschaften können über einen veränderlichen Querschnitt der Federelemente durch Schäftung der Endlosfasern im endlosfaserverstärkten Federelement verbessert werden.
  • Die vorliegende Erfindung, insbesondere das Federelement, kann eine verbesserte Kühlung, eine Gewichtsreduzierung, ein geringes Kriech/Ermüdungsverhalten, einen geringeren Dämpfungsfaktor bei Endlosfasern, und somit einen höheren Wirkungsgrad im Hinblick auf einen Körperschallwandler realisieren.
  • Ferner kann durch die vorliegende Erfindung eine gezielte Beeinflussung des Wärmeflusses und eine gezielte Steuerung der mechanischen Eigenschaften bewerkstelligt werden.
  • Veränderliche Querschnitte des erfindungsgemäßen Federelements lassen sich über ihre Länge durch Schäftung eines oder mehrerer Stränge aus Endlosfasern des Federelements herbeiführen.
  • Figur 11 zeigt unterschiedliche fotografische Ansichten eines im Stand der Technik bekannten Körperschallwandlers. Im gezeigten Körperschallwandler ist das Federelement als kurzfaserverstärkter Spritzguss hergestellt. Alternativ wird das Federelement aus Metall gestanzt.
  • Die Kühlung des gezeigten Körperschallwandlers wird über ein flüssiges Medium, welches sich im Spalt zwischen Spute und Magnet befindet, oder über die freie Konvektion von Luft an der Spulenoberfläche erreicht.
  • Durch im Spritzguss hergestellte Federelemente kommt es durch Querschnittsänderungen zu Materialermüdungen. Dem wird im Stand der Technik durch das Verstärken des Spritzgusses mit Kurzfasern entgegengetreten. Allerdings hat der Erfinder erkannt, dass Kurzfasern den Nachteil haben, dass sie sich amorph anordnen und nicht gezielt ausrichtbar sind, um die mechanischen und wärmeabführenden Eigenschaften eines Federelements und somit eines Körperschallwandlers zu beeinflussen. Ferner haben kurzfaserverstärkte Federelemente hohe Steifigkeiten. Auf Basis dieser Erkenntnis werden mit der vorliegenden Erfindung insbesondere ein verbessertes Federelement, ein verbesserter Körperschallwandler und ein verbesserter Lautsprecher bereitgestellt.
    • Bezugszeichenliste
    • 10
    Federelement
    12
    Endlosfaser
    14
    Strang
    16
    Matrix
    18
    Substrat
    20
    Körperschallwandler
    22
    Anbindungselement
    23
    Gehäuse
    24
    Magnetfeld erzeugendes Element
    25
    Alublech
    26
    Schwingkörper
    28
    Körper
    29
    Anbindungsfläche
    30
    Anschluss
    40
    Lautsprecher

Claims (14)

  1. Federelement (10), insbesondere für einen Körperschallwandler, umfassend:
    eine Vielzahl von Endlosfasern (12), die in einem Strang (14) angeordnet sind,
    wobei der Strang (14) in einer Matrix (16) aus einem Matrixmaterial eingebettet ist, wobei die Matrix (16) den Strang (14) in einer vorbestimmten oder vorbestimmbaren und einem Gleichgewichtszustand des Federelements (10) entsprechenden Grundanordnung fixiert, und
    wobei das Federelement (10) im Wesentlichen entlang des Strangs (14) wärmeabführend ist.
  2. Federelement (10) nach Anspruch 1, wobei die Vielzahl von Endlosfasern (12) Kohlenstofffasern umfasst, und/oder
    wobei die Vielzahl von Endlosfasern (12) eine Mindestlänge von 10 mm hat.
  3. Federelement (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Strang (14) im Wesentlichen unterbrechungsfrei ist, und/oder
    wobei die Länge des in der Grundanordnung fixierten Strangs (14) der Länge der Vielzahl von Endlosfasern entspricht.
  4. Federelement (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Vielzahl von Endlosfasern (12) in die Matrix (16) mittels Infiltration mit dem Matrixmaterial eingebettet ist, wobei insbesondere jede der Vielzahl von Endlosfasern (12) von dem Matrixmaterial umgeben ist.
  5. Federelement (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei jede der Vielzahl von Endlosfasern (12) eine Länge größer oder größer gleich 10 mm, insbesondere 20 mm, hat.
  6. Federelement (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Strang (14) 1000 Endlosfasern (12) enthält, und/oder
    wobei der Strang (14) einen Querschnitt aufweist, der eine Fläche zwischen etwa 0,4 mm2 und etwa 40 mm2 hat.
  7. Federelement (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei zumindest zwei der Vielzahl von Endlosfasern (12), insbesondere alle der Vielzahl von Endlosfasern (12), im Wesentlichen parallel zueinander angeordnet sind.
  8. Federelement (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Grundanordnung des Strangs (14) im Wesentlichen planar ist, oder
    wobei der Strang (14) derart in der Grundanordnung fixiert ist, dass sich der Strang (14) in der Grundanordnung im Wesentlichen horizontal und/oder vertikal erstreckt.
  9. Federelement (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Matrixmaterial Kunststoff oder Silizium umfasst, und/oder
    wobei das Federelement (10) einen Faservolumengehalt von etwa 5 : 6, bevorzugt einen Faservolumengehalt von etwa 3 : 2, aufweist.
  10. Federelement (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Strang (14) mittels Legens angeordnet ist, bevor die Matrix (16) den Strang (14) fixiert, oder
    wobei der Strang (14) mittels Stickens auf einem Substrat (18) angeordnet ist, bevor die Matrix (16) den Strang (14) fixiert.
  11. Körperschallwandler (20), umfassend:
    ein Anbindungselement (22),
    ein Magnetfeld erzeugendes Element (24),
    einen Schwingkörper (26) zur Übertragung von Schwingungen basierend auf einem elektromagnetischen Eingangssignal auf einen Körper (28), und
    das Federelement (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Federelement (10) mit dem Schwingkörper (26) derart verbunden ist, dass der Schwingkörper (26) relativ zu dem Anbindungselement (22) schwingungsfähig ist.
  12. Lautsprecher (40), umfassend:
    den Körperschallwandler (20) nach Anspruch 11, und
    einen Körper.
  13. Verfahren zur Herstellung eines Federelements (10), wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:
    Anordnen eines Strangs (14) aus einer Vielzahl von Endlosfasern (12),
    Einbetten des Strangs (14) in einer Matrix (16) aus einem Matrixmaterial, und
    Fixieren des Strangs (14) in einer vorbestimmten und einem Gleichgewichtszustand des Federelements (10) entsprechenden Grundanordnung mittels der Matrix (16).
  14. Verwendung eines oder mehrerer Stränge (14) aus einer Vielzahl von Endlosfasern (12) für ein Federelement (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10.
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