SE514782C2

SE514782C2 - Pneumatically powered speakers

Info

Publication number: SE514782C2
Application number: SE9904465A
Authority: SE
Inventors: Arni Ingvarsson
Original assignee: Saab Ab
Priority date: 1999-12-08
Filing date: 1999-12-08
Publication date: 2001-04-23
Also published as: AU2032101A; SE9904465L; WO2001043492A1; SE9904465D0

Abstract

The invention concerns a pneumatically driven loudspeaker comprising a first chamber (2) having higher pressure than the surroundings (3), where the first chamber has a first opening (6) to the surroundings, and a second chamber (4) having lower pressure than the surroundings (3), where this second chamber has a second opening (9) to the surroundings, whereby the first (6) and the second (9) openings by means of valve mechanisms alternately open and close at a selected frequency, since the valve mechanism consists of at least one flap-like element (5) which with the said frequency swings to and fro, thereby alternately opening and closing both the first opening (6) and the second opening (9).

Description

25 30 514 782 926sE ~ 2 Vid en högtalare enligt den citerade skriften uppnås att luften omväxlande trycks ut respektive sugs tillbaka från högtalaren. På detta sätt sker en överlagring av en utblåsningskarakteristik och en, väsentligen inverterad insugningskarakteristik. Båda dessa kurvor är starkt olinjära, men genom överlagringen uppnås en större symmetri hos karakteristiken. Detta gör att högtalaren ger en mindre distorderad signal och därigenom blir lättare att styra jämfört med om bara en kammare med från omgivningen avvikande tryck utnyttjas. En sådan högtalare är speciellt lämpad för användning vid aktiv ljuddärnpning på grund av dess höga Uteffekt per vikt- resp ytenhet, samtidigt som den kan verka inom ett brett frekvensområde. 25 30 514 782 926sE ~ 2 In the case of a loudspeaker according to the quoted document, it is achieved that the air is alternately pushed out or sucked back from the loudspeaker. In this way, a blow-out characteristic and a substantially inverted intake characteristic occur. Both of these curves are strongly non-linear, but through the overlay a greater symmetry of the characteristic is achieved. This means that the speaker gives a less distorted signal and thereby becomes easier to control compared to if only a chamber with pressure deviating from the surroundings is used. Such a speaker is particularly suitable for use in active sound attenuation due to its high output power per unit weight and area unit, at the same time as it can operate within a wide frequency range.

Den beskrivna högtalaren är utrustad med ventilorgan som omväxlande stänger resp öppnar lågtrycks- och högtryckskamrnaren. Ventilorganen som är beskrivna är av mekanisk typ, där Ventilorganen utgörs av en fram- och återgâende slid, en roterande ventilkropp, en vaggande ventilkropp eller fram- och återgående ventilkäglor. Gemensamt för dessa beskrivna ventilorgan är att de utgörs av mekaniska komponenter med en relativt stor massa, varvid Ventilorganen besitter en inneboende tröghet, vilket i vissa tillämpningar kan innebära att de inte kan styras ut med den snabbhet som är önskvärd. Vid vissa tillämpningar kan det också vara önskvärt att en högtalare utförs som ett större antal samverkande högtalarelement, varvid högtalarelementen görs mycket små, vilket inte är enkelt eller billigt att åstadkomma medelst de beskrivna mekaniska ventilorganen. Uppfinningen i det följande visar en lösning på dessa frågor.The described speaker is equipped with valve means which alternately close or open the low-pressure and high-pressure chamber. The valve means described are of a mechanical type, wherein the valve means consist of a reciprocating slide, a rotating valve body, a rocking valve body or reciprocating valve cones. Common to these described valve means is that they consist of mechanical components with a relatively large mass, the valve means having an inherent inertia, which in some applications may mean that they cannot be controlled out with the speed that is desired. In certain applications it may also be desirable for a loudspeaker to be designed as a larger number of cooperating loudspeaker elements, the loudspeaker elements being made very small, which is not easy or cheap to achieve by means of the described mechanical valve means. The invention in the following shows a solution to these questions.

BESKRIVNING AV UPPFINNINGEN Enligt en aspekt av uppfinningen avser denna en pneumatiskt driven högtalare som omfattar en kammare med högre tryck än omgivningen samt en kammare med lägre tryck än omgivningen.DESCRIPTION OF THE INVENTION According to one aspect of the invention, it relates to a pneumatically driven loudspeaker comprising a chamber with a higher pressure than the environment and a chamber with a lower pressure than the environment.

Kamrarna är var och en försedd med minst en medelst ventilorgan modulerbar öppning mot omgivningen, varmed det är möjligt att växelvis öppna och stänga högtrycks- resp lâgtryckskammaren mot omgivningen, vilket som exempel innebär att öppningen mot högtryckskamrnaren öppnas medan öppningen mot lågtryckskammaren stängs och vice versa.The chambers are each provided with at least one opening modularly by means of valve means, with which it is possible to alternately open and close the high-pressure or low-pressure chamber towards the environment, which for example means that the opening to the high-pressure chamber is opened while the opening to the low-pressure chamber is closed and vice versa.

Denna modulering av öppningama sker med valbar frekvens. Enligt uppﬁnningsaspekten utgörs ventilorganen av en eller ﬂera lätta tungor eller kilar som bringas att svänga fram och åter för att växelvis stänga och öppna de båda kamrarna, varvid en tidsignal med önskat frekvensinnehåll och ljudstyrka erhålls. Drivningen av en tunga eller kil sker företrädesvis med en piezoelektrisk 10 15 20 25 30 514 782 926SE 3 aktuator, med en servomotor eller med rnikroaktuatorer, som t ex utförs i minnesmetaller, av bimetaller eller av magnetostriktiva material.This modulation of the apertures takes place at a selectable frequency. According to the invention aspect, the valve means consist of one or more light tongues or wedges which are caused to swing back and forth to alternately close and open the two chambers, whereby a time signal with the desired frequency content and volume is obtained. The drive of a tongue or wedge preferably takes place with a piezoelectric actuator, with a servomotor or with micro-actuators, which are for example made of memory metals, of bimetals or of magnetostrictive materials.

Ytterligare fördelaktiga särdrag hos uppfinningen framgår av den följande beskrivningen och patentkraven. I övrigt inkorporeras vad som sägs i patentskriften PCT/SE99/OO586 om högtalarens funktion och användningsområde.Further advantageous features of the invention appear from the following description and claims. In other respects, what is stated in the patent specification PCT / SE99 / OO586 regarding the speaker's function and area of use is incorporated.

Genomgående i föreliggande beskrivning används ordet karmnare i ental som benärrming på en högtrycks- eller lågtryckskammare i högtalaren. Detta skall dock ej utesluta att resp kammare kan vara uppdelad i ﬂera samverkande delkamrnare.Throughout the present specification, the word singular in singular is used as the suffix of a high-pressure or low-pressure chamber in the loudspeaker. However, this shall not preclude that each chamber may be divided into sam your cooperating sub-chambers.

En fördel med uppfinningen enligt uppñnningsaspekten är att man erhåller en högtalare som är mycket lätt att styra ut och att den mycket snabbt kan följa en bredbandig tidsignal, då de rörliga delarna har mycket låg tröghet. Ytterligare en fördel är att det är lätt att rninityrisera högtalar- elementen, att göra dessa lätta och kompakta. Högtalarelementen kan t ex utföras i MEMS- teknik, varvid det blir möjligt att förfardiga ett större antal högtalarelement på en given yta och att man härvid erhåller en bredbandig ljudkälla som också ger utrymme för att med många små högtalarelement utplacerade på en yta styra lobformen hos ljudet från ljudkällan som utgörs av de samverkande elementen.An advantage of the invention according to the invention aspect is that a loudspeaker is obtained which is very easy to control and that it can very quickly follow a broadband time signal, as the moving parts have very low inertia. Another advantage is that it is easy to refine the speaker elements, to make them light and compact. The loudspeaker elements can for instance be made in MEMS technology, whereby it becomes possible to manufacture a larger number of loudspeaker elements on a given surface and that a broadband sound source is obtained which also provides space for controlling the lobe shape of the sound with many small loudspeaker elements placed on a surface. from the sound source which consists of the cooperating elements.

FIGURBESKRIVNING Fig. l visar schematiskt ett snitt genom en högtalare enligt en aspekt av uppfinningen, där en platta, piezoelektriskt styrd, öppnar resp stänger öppningen till en högtrycks- resp en lågtryckskamrnare i högtalaren.DESCRIPTION OF THE FIGURES Fig. 1 schematically shows a section through a loudspeaker according to an aspect of the invention, where a plate, piezoelectrically controlled, opens or closes the opening of a high-pressure or a low-pressure chamber in the loudspeaker.

Pig. 2 åskådliggör på motsvarande sätt två böjliga plattor som samverkar vid öppning resp stängning av högtrycks- och lågtryckskamrnaren. 10 15 20 25 30 514 926SE 4 782 BESKRIVNING AV UTFÖRANDEN.Pig. 2 illustrates in a corresponding manner two flexible plates which cooperate when opening and closing the high-pressure and low-pressure chambers, respectively. 10 15 20 25 30 514 926EN 4 782 DESCRIPTION OF THE EMBODIMENTS.

I det följande beskrivs med stöd av bifogade ﬁgurer ett antal utföranden av uppfmningen.In the following, a number of embodiments of the invention are described with the aid of the accompanying drawings.

En sektion av en högtalare 1 enligt uppﬁnningen är återgiven i figur 1. I ﬁguren visas att högtalaren 1 är försedd med en första kammare 2, i vilken råder ett högre tryck P* än i omgivningen 3, där trycket i detta utförande utgörs av atmosfärstrycketP. En andra kammare 4 i högtalaren har ett lägre tryck P' än omgivningen. Den första kammaren 2 och den andra kammaren 4 är åtskilda av en mellanvägg 5. En första öppning 6 är anordnad mellan den första kammaren 2 och omgivningen 3 mellan mellanväggen 5 och den första kamrnarens vägg 7, Företrädesvis är den första kammarens vägg 7 avslutad till en första läpp 8. På motsvarande sätt är en andra öppning 9 anordnad mellan den andra kammaren 4 och omgivningen 3 mellan mellanväggen 5 och den andra karnmarens vägg 10. Företrädesvis är den andra kammarens vägg 8 avslutad till en första läpp 11. Den första läppen 8 och den andra läppen 11 formar i detta utförande en för både den första kammaren 2 och den andra kammaren 4 gemensam mynning mot omgivningen 3. Den gemensamma mynningen är symmetriskt placerad i förhållande till mellanväggen 5 som är avslutad på bestämd distans från nämnda mynning.A section of a loudspeaker 1 according to the invention is shown in Figure 1. The figure shows that the loudspeaker 1 is provided with a first chamber 2, in which there is a higher pressure P * than in the environment 3, where the pressure in this embodiment is the atmospheric pressure P. A second chamber 4 in the loudspeaker has a lower pressure P 'than the surroundings. The first chamber 2 and the second chamber 4 are separated by a partition wall 5. A first opening 6 is arranged between the first chamber 2 and the environment 3 between the partition wall 5 and the wall 7 of the first chamber. Preferably, the wall 7 of the first chamber is terminated to a corresponding lip 8. Correspondingly, a second opening 9 is arranged between the second chamber 4 and the environment 3 between the partition wall 5 and the wall 10 of the second karmmar. Preferably, the wall 8 of the second chamber is terminated to a first lip 11. The first lip 8 and the second lip 11 in this embodiment forms a common mouth for both the first chamber 2 and the second chamber 4 towards the surroundings 3. The common mouth is symmetrically placed in relation to the partition wall 5 which is terminated at a certain distance from said mouth.

En piezoelektrisk platta utgör enligt utförandet en tunga 12 som vid sin ena ände är angjord vid mellanväggens 5 avslutning. Tungans andra ände kan böjas mot antingen den första läppen 8 eller den andra läppen ll. När tungan 12 är böjd mot den första läppen 8 stängs den första öppningen 6, varvid den första kammaren 2 med trycket P+ stängs mot omgivningen 3. I detta läge hos tungan 12 är den andra kammaren 4 med trycket P' öppen mot omgivningen 3, vilket innebär att luft kommer att strömma in i den andra kammaren. När tungan 12 är böjd mot den andra läppen ll stängs den andra öppningen 9, varvid den andra kammaren 4 med trycket P' stängs mot omgivningen 3. I detta läge hos tungan 12 är den första kammaren 2 med trycket P+ öppen mot omgivningen 3, vilket innebär att luft kommer att strömma ut ur den första kammaren. Eftersom tungan 12 utgörs av en piezoelektrisk platta kan denna styras att svänga fram och åter med den' önskade frekvensen, varvid ett mycket kraftigt ljud alstras vid öppningen 3 mot omgivningen på grund av de kraftiga tryckvariationer som uppkommer där, då luft strömmar in i lågtryckskammaren 4 resp strömmar ut ur högtryckskamrnaren 2.According to the embodiment, a piezoelectric plate constitutes a tongue 12 which at its one end is fixed at the end of the partition wall 5. The other end of the tongue can be bent towards either the first lip 8 or the second lip 11. When the tongue 12 is bent towards the first lip 8, the first opening 6 is closed, whereby the first chamber 2 with the pressure P + is closed towards the surroundings 3. In this position of the tongue 12 the second chamber 4 with the pressure P 'is open towards the surroundings 3, which means that air will flow into the other chamber. When the tongue 12 is bent towards the second lip 11, the second opening 9 is closed, the second chamber 4 with the pressure P 'being closed against the environment 3. In this position of the tongue 12 the first chamber 2 with the pressure P + is open towards the environment 3, which means that air will flow out of the first chamber. Since the tongue 12 consists of a piezoelectric plate, it can be controlled to oscillate back and forth at the desired frequency, whereby a very loud sound is generated at the opening 3 towards the surroundings due to the strong pressure variations which occur there, when air flows into the low pressure chamber 4. resp flows out of the high pressure chamber 2.

Figur 2 visar ett altemativt utförande, där högtalarens mekaniska uppbyggnad är oförändrad, med den skillnaden att två böj liga tungor 13, 14 av piezoelektriskt material används. En första 10 15 20 25 514 782 s 926SE tunga 13 är fäst med sin ena ände vid den första läppen 8, medan den första tungans 13 andra ände kan böjas mot mellanväggens 5 avslutning, varvid den första kammaren 2 i detta läge är stängd. En andra tunga 14 är fäst med sin första ända vid den andra läppen 11 och är böjd bort från mellanväggens 5 avslutning, varvid den andra kammaren 4 i detta läge är öppen, vilket innebär att luft kommer att strömma ut ur lågtryckskamrnaren 4. Den första och andra tungan kan styras av samma spänning och synkront med samma frekvens, så att de svänger fram och åter i fas med varandra, men det är också möjligt att styra de båda tungoma separat för att på så sätt kompensera för osymmetrier i luftﬂöde ut från och in i de båda karnraina 2, 4.Figure 2 shows an alternative embodiment, where the mechanical structure of the speaker is unchanged, with the difference that two flexible tongues 13, 14 of piezoelectric material are used. A first tongue 13 is attached with its one end to the first lip 8, while the other end of the first tongue 13 can be bent towards the end of the partition wall 5, the first chamber 2 being closed in this position. A second tongue 14 is attached with its first end to the second lip 11 and is bent away from the end of the partition wall 5, the second chamber 4 in this position being open, which means that air will flow out of the low-pressure chamber 4. The first and the second tongue can be controlled by the same voltage and synchronously with the same frequency, so that they oscillate back and forth in phase with each other, but it is also possible to control the two tongues separately to thus compensate for asymmetries in air ﬂ desolate from and in in the two karnraina 2, 4.

Eftersom det är möjligt att utforma de båda tryckkarnrarna 2, 4 i princip så små som är praktiskt genomförbart ur mekanisk synvinkel och att göra den styrbara tungan 12, 13, 14 i storlek därefter kan ett högtalarelement göras mycket litet, t ex mycket mindre än den akustiska våglängden, vil- ket innebär storleksordningen någon millimeter i omfång. Detta innebär att det blir genomförbart att utforma en högtalare som i sin tur år uppbyggd av ett större antal högtalarelement 1 enligt uppfinningen, där de enskilda högtalarelementen kan placeras utbredda över en större yta enligt ett önskvärt mönster för att ge högtalaren med de samverkande högtalarelementen önskad riktverkan. De enskilda högtalarelementens placering och deras individuella utformning kan ock- så styras för att man ska erhålla önskad riktverkan och/eller karaktär på ljudet. Det blir även möj- ligt att integrera sådana små högtalarelement med elektronik på kretsar genom att utföra högtal- arna i MEMS-teknik (s k Mikro Elektro Mekaniska Strukturer). De enskilda högtalarelementen kan härvid styras att samverka för erhållande av högre ljudeffekt och/eller för att styras ut indi- viduellt så att det sammansatta ljudet erhåller önskad karaktär.Since it is possible to design the two pressure cores 2, 4 in principle as small as is practically feasible from a mechanical point of view and to make the controllable tongue 12, 13, 14 in size thereafter, a loudspeaker element can be made very small, e.g. much smaller than the acoustic wavelength, which means the order of a few millimeters in circumference. This means that it becomes feasible to design a loudspeaker which in turn is built up of a larger number of loudspeaker elements 1 according to the invention, where the individual loudspeaker elements can be placed spread over a larger area according to a desired pattern to give the loudspeaker with the cooperating loudspeaker elements desired direction. . The placement of the individual speaker elements and their individual design can also be controlled in order to obtain the desired direct effect and / or character of the sound. It will also be possible to integrate such small speaker elements with electronics on circuits by making the speakers in MEMS technology (so-called Micro Electro Mechanical Structures). The individual loudspeaker elements can be controlled to cooperate to obtain a higher sound power and / or to be controlled individually so that the composite sound acquires the desired character.

Claims

514 782 926EN 6 Patent claim 10 15 20 25 30 Pneumatically driven loudspeaker comprising: a) at least one first chamber (2) with a higher pressure than the environment (3), this first chamber having at least one first opening (6) towards the environment, b) at least one second chamber (4) with a lower pressure than the environment (3), this second chamber having at least one second opening (9) towards the environment and that the first (6) and the second opening (9) are alternately opened by means of valve means and is closed at a selectable frequency, characterized in that a valve means comprises at least one tongue-like element (5) which at said frequency oscillates back and forth and thereby opens and closes the first opening (6) and the second opening (9), respectively. Loudspeaker according to claim 1, characterized in that the wall (7) of the first chamber (2) and the wall (10) of the second chamber (4) form an opening towards the environment (3) which is common to the two frame frames (2,4 ). Speaker according to claim 2, characterized in that the tongue element (5) is attached with one end to a wall separating the first chamber (2) and the second chamber (4) and that the other end of the tongue element is caused to abut against each other during its oscillation. the end (8) of the first wall to close the first opening (6) and alternately abut against the end (11) of the second wall to close the second opening (9). Speaker according to claim 2, characterized in that a first tongue element (13) is fixed with its one end to the end (8) of the first wall (7) and with its other end can pivot back and forth to close the first in its one pivot position. the chamber (2) and that a second tongue element (14) is attached to the end (1 1) of the second wall (10) and with its other end can pivot back and forth to close the second chamber (4) in its one pivoting position. Loudspeaker according to one of the preceding claims, characterized in that the pivoting tongue (5, 13, 14) consists at least in part of a piezoelectric element. Speaker according to one of Claims 1 to 4, characterized in that the pivoting tongue (5, 13, 14) consists at least in part of a material taken from the group: memory metal, bimetal and magnetostrictive material. 514 782 7 926SE Speaker according to one of Claims 1 to 4, characterized in that the pivoting tongue (5, 13, 14) is driven by an actuator, for example a piezoelectric element. A loudspeaker according to claim 1, characterized in that the loudspeaker is made of MEMS technology. A loudspeaker according to claim 8, characterized in that the loudspeaker is integrated with electronics on a circuit board.