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Die vorliegende Erfindung bezieht
sich auf Lautsprecher und insbesondere auf Flachlautsprecher bzw.
Flachschallwandler.
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Der sich in der Unterhaltungselektronik
abzeichnende Trend nach immer kleineren und kompakteren Komponenten
macht auch vor der Lautsprechertechnologie nicht Halt. Der Trend
geht sogar so weit, daß Lautsprecher
nicht nur mehr klein sondern auch für den Hörer „unsichtbar", d.h. für das Auge
des Hörers
versteckt, sein sollen. Gerade für die
Mehrkanal-Wiedergabe,
wie Surround, und die Wellenfeldsynthese (WFS) ist die Möglichkeit
der unsichtbaren Installation von großem Nutzen. Die hier benötigte Anzahl
von einzelnen Kanälen
und damit Lautsprechern erstreckt sich schnell auf über 50 Stück. Da solche
Wiedergabesysteme aber auch für den
Heimgebrauch entwickelt und angeboten werden sollen, und davon ausgegangen
werden muß, daß der Kunde
beispielsweise für
ein WFS-System sein Wohnzimmer aus Platzgründen nicht mit 50 herkömmlichen
Lautsprechern ausstatten will, müssen alternative
Lautsprecher eingesetzt werden.
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Ziel ist es, Lautsprecher so zu konstruieren, daß sie sich
in andere Geräte
oder Möbel
integrieren lassen, so daß sich
dieselben auf diese Weise unauffällig
im Zimmer verteilen lassen. So gibt es beispielsweise bereits Lautsprecher,
die gleichzeitig als Bilderrahmen, als Bildschirm oder sogar als
Schranktür fungieren.
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Für
die technische Realisierung dieser „versteckten" Lautsprecher
eignet sich der Konuslautsprecher nicht, da er aufgrund seiner Membranform nicht
flach genug ist. Besser geeignet ist ein Lautsprecher, dessen Membran
von vorneherein flach wie eine Platte ist und dessen elektroakustisches
Erregersystem möglichst
kleine Abmessungen hat. Dieses Prinzip, nämlich die Verwendung einer
Platte als Membran in Verbindung mit der Verwendung eines Erregersystems,
ist bereits in der 1929 veröffentlichten
DE 465189 und deren Zusätzen
DE 484409 und
484872 für eine akustische Schaufensterreklame
verwendet worden. Dort diente eine Fensterscheibe eines Schaufensters
als Membran, welche durch ein angebrachtes elektrodynamisches Erregersystem
zur Schallwiedergabe angeregt wurde.
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Der diesem Prinzip grundlegende Funktionsmechanismus
besteht darin, daß ein
an das elektrodynamische Erregersystem angelegtes elektrisches Signal
in eine tonfrequente mechanische Schwingung umgewandelt wird. Diese
mechanische Schwingung wird an einem Erregungspunkt, an welchem
das Erregersystem an der Membran anliegt oder an derselben befestigt
ist, auf die als Membran dienende Platte übertragen, wodurch Körperschall
in der Platte erzeugt wird. Insbesondere derjenige Körperschallanteil,
der sich anhand von Biegewellen in der Membran ausbreitet, sorgt
für die
Erzeugung von Luftschall.
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Bei diesem Lautsprecherprinzip findet
die Erzeugung von Luftschall folglich über den Umweg von Körperschall
statt. Die longitudinalen mechanischen Schwindungsbewegungen der
Schwingungspulse des Erregersystems werden nicht wie bei Konuslautsprechern
von der Membran übernommen
und sofort in Luftschall umgesetzt, sondern es wird zunächst Körperschall
in der Membran erzeugt, der – und
insbesondere der Biegewellenanteil desselben – dann die umgebende Luft zu
Longitudinalwellen bzw. Druckwellen, d.h. Schall, anregt. Die Transformation Körperschall-Luftschall
wirkt hierbei wie ein Filter in der Signalkette. Die Folge ist,
daß nur
derjenige Signalanteil des wiederzugebenden Signals als Luftschall
wiedergegeben wird, der sich in der Platte als Körperschall ausbreiten und dann
in den Raum abgestrahlt werden kann.
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Da, wie bereits erwähnt, derjenige
Körperschallanteil,
der sich in Form der Biegewelle ausbreitet, den größten Beitrag zur
Erzeugung von Luftschall mittels Plattenmembran liefert, haben die
Eigenschaften der Biegewelle, insbesondere ihre Anregung und ihre
Ausbreitung, entscheidenden Einfluß auf die Konstruktion eines
Flachlautsprechers nach dem Biegewellenprinzip. Unter Beachtung
dieser Eigenschaften ergibt sich, daß für eine breitbandige Schallwiedergabe
Membranplatten mit geringem Gewicht und großen Abmessungen notwendig sind.
Die erforderliche Plattengröße steht
nun aber wiederum dem Ziel der unsichtbaren Integration des Lautsprechers
in die Umgebung des Hörers
im Wege. So ist bereits bei relativ großen Platten die Wiedergabe
des Frequenzbereiches unterhalb von etwa 200 Hz von schlechter Qualität. Der Grund
hierfür
besteht darin, daß eine
Platte nur in ihren Eigenmoden mit ihren zugehörigen Eigenfrequenzen schwingt
und für
die Schallwiedergabe die Modendichte, d.h. die Anzahl der Moden
pro Frequenzbereich, entscheidend ist. Unterhalb von 200 Hz ist
eine ausreichende Modendichte bisher jedoch nicht erzielt worden.
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Somit besteht ein Bedarf nach einem
Lautsprecher, der einerseits der unsichtbaren Integration zugänglich ist,
d.h. flach und klein implementierbar ist, und der andererseits nicht
nur im Mittel- und Hochtonbereich sondern auch im Tieftonbereich
eine zufriedenstellende Schallwiedergabe ermöglicht.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung
besteht darin, einen Lautsprecher zu schaffen, der bei fester Größe eine
bessere Wiedergabequalität
oder bei fester Wiedergabequalität
einen kompakteren Aufbau ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird durch einen Lautsprecher
gemäß Anspruch
1 gelöst.
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Ein erfindungsgemäßer Lautsprecher umfaßt eine
Membran, eine erste Erregungseinrichtung zur Erregung von Körperschall
in der Membran und eine zweite, von der ersten unterschiedlichen,
Erregungseinrichtung zum Versetzen der Membran in eine longitudinale
Schwingungsbewegung in Richtung senkrecht zur Membranausdehnung.
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Erfindungsgemäß wird das Problem der zu geringen
Tieftonwiedergabe einerseits und der der unsichtbaren Integration
bzw. Installation entgegenstehenden Größe andererseits dadurch gelöst, daß ein zweites
Erregersystem eingeführt
wird, welches die Membran bzw. die als Membran dienende Platte zusätzlich zu
den Biegeschwingungen des Körperschalls
einheitlich vor und zurück
bewegt. Die Schallwiedergabe ist dadurch über den gesamten Hörfrequenzbereich
möglich,
ohne daß das
Ziel der unsichtbaren Integration bzw. Installation behindert wird.
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Anders ausgedrückt, besteht der Kerngedanke
der vorliegenden Erfindung darin, daß eine breitbandige Wiedergabe
mittels eines kompakten Lautsprechers erhalten werden kann, der
aus einer Membran und zugehöriger
Erregungseinrichtung besteht, indem zur Erregung der Membran zwei
unterschiedliche Erregungseinrichtungen verwendet werden, die die
Membran auf unterschiedliche Weise in Schwingung versetzen und für verschiedene
Frequenzbänder
bzw. Frequenzbereiche zuständig
sind. Die eine, bereits bekannte Erregungseinrichtung zur Erzeugung
von Körperschall
in der Membran ist erfindungsgemäß lediglich
für die
Wiedergabe des Hoch- und Mitteltonbereiches zuständig und ihre Aufgabe besteht
lediglich darin, möglichst
viele Biegewellen in der Membran anzuregen. Den bisher fehlenden
Tieftonbereich übernimmt
die erfindungsgemäß hinzugefügte Erregungseinrichtung,
die die Membran zu longitudinalen Vor- und Zurückschwingungsbewegungen mit
großem
Hub anregt. Entgegen der Schallerzeugung der Körperschallerregungseinrichtung
wird die Membran von der erfindungsgemäß eingeführten zweiten Erregungseinrichtung
zu longitudinalen Schwingungen angeregt, wodurch die Membran somit
in sich in Form von Biegewellen schwingt und sich zusätzlich als
Ganzes einheitlich vor und zurück
bewegt.
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Die Auslenkung der zweiten Erregungseinrichtung
kann weitaus größer sein
als die der Biegewellen der Körperschallerzeugungseinrichtung.
Da die Membran eine relativ große
fiktive Membranfläche
besitzt, wird durch das einheitliche Vor- und Zurückbewegen
der Platte viel Luftvolumen bewegt. Auf diese Weise ist die Erzeugung
von ausreichend Schallpegel im Tieftonbereich deutlich besser möglich als
mit dem Biegewellenprinzip, bei dem die Membranauslenkungen auch
kleiner sein können.
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Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung
besteht wiederum darin, daß durch
die Kombination beider Erregungsarten, d.h. der Körperschallerzeugung und
der longitudinalen Vor- und
Zurückschwingungsbewegung,
auf einer Membran eine deutlich bessere Wiedergabe des gesamten
Hörfrequenzbereiches möglich ist.
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Aufgrund der Ermöglichung eines größeren Membranhubs
im Tieftonbereich durch die erfindungsgemäß hinzukommende Erregungseinrichtung zum
Versetzen der Membran in eine Vor- und Zurückschwingungsbewegung, kann
die Membranfläche
bei gleichbleibender Wiedergabequalität verkleinert werden. Im Gegensatz
dazu benötigen
Flachlautsprecher, die nur auf der Körperschallerzeugung beruhen,
eine sehr große
Membranfläche,
um im Tieftonbereich ausreichend Schallpegel zu erzeugen, da der geringe
Membranhub der Biegewellen durch eine möglichst große Membranfläche ausgeglichen
werden muß,
um die gleiche Volumenverdrängung
zu erreichen, wodurch herkömmliche
Flachlautsprecher verhältnismäßig groß sein müssen. Folglich
besteht ein Vorteil der vorliegenden Erfindung auch darin, daß ein erfindungsgemäßer Lautsprecher
aufgrund seiner Kompaktheit besser für eine unsichtbare Integration
bzw. Installation geeignet ist.
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Umgekehrt besteht ein Vorteil der
vorliegenden Erfindung darin, daß bei gleichbleibender Membrangröße aufgrund
der Kombination der beiden Erregungseinrichtungen die Tieftonwiedergabe
deutlich verbessert wird. Der Vorteil der un sichtbaren Integration
bzw. Installation wird hierdurch nicht aufgehoben sondern durch
eine bessere Wiedergabequalität
ergänzt.
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Ein weiterer Vorteil der vorliegenden
Erfindung besteht darin, daß dadurch,
daß die
longitudinale Schwingungsbewegung viel Luftvolumen bewegt, das Baßreflexprinzip
wirksam einsetzbar ist, was bei bisherigen Flachlautsprechern nach
Biegewellenprinzip zu keiner Verbesserung der Tieftonerzeugung führte.
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Ein weiterer Vorteil der vorliegenden
Erfindung besteht darin, daß,
da die Wiedergabe im Tieftonbereich durch die Erzeugung von Vor-
und Zurückschwingungsbewegungen
der Membran übernommen
wird, die Körperschallerzeugungseinrichtung
auch nach dem piezoelektrischen Prinzip arbeiten kann, was bisher
bei Verwendung von lediglich der Körperschallerzeugung aufgrund
des sehr schmalen Frequenzbereiches, für den das piezoelektrische
Prinzip geeignet ist, nur unter Einbußen der Bandbreite möglich war.
Durch die Kombination mit dem zusätzlichen Erregersystem zur
longitudinalen Schwingungsbewegung der Membran wird folglich eine
deutliche Verbesserung in der Schallwiedergabe erreicht, so daß die Körperschallerzeugungseinrichtung
nach dem piezoelektrischen Prinzip arbeiten kann.
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Weitere bevorzugte Ausführungsbeispiele der
vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die
beiliegenden Zeichnungen näher
erläutert.
Es zeigen:
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1a eine
schematische Teilschnittseitenansicht eines Flachlautsprechers gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung, wobei lediglich die als Membran dienende
Platte zusammen mit der Körperschallerzeugungseinrichtung ohne
die Longitudinalschwingungserregungseinrichtung gezeigt ist, wobei
auch das Schwingungsverhalten der Membran, d.h. die durch die Körperschallerzeugungs einrichtung
erzeugten Biegewellen, angedeutet sind;
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1b eine
schematische Teilschnittseitenansicht des Lautsprechers von 1a, wobei lediglich die
als Membran dienende Platte sowie die Longitudinalschwingungserregungseinrichtung
und nicht die Körperschallerzeugungseinrichtung
gezeigt ist, wobei auch das Schwingungsverhalten, d.h. die Vor-
und Zurückschwingungsbewegung,
der Platte aufgrund der Longitudinalschwingungserregungseinrichtung
angedeutet ist;
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1c eine
schematische Vorderansicht des Lautsprechers nach 1a und 1b;
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1d eine
schematische Teilschnittdraufsicht eines Lautsprechers, in dem die
Longitudinalschwingungserregungseinrichtung nach 1b und die Körperschallerzeugungseinrichtung
nach 1a zu einem Lautsprecher
kombiniert sind;
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2a und 2b eine schematische Vorderansicht
und Teilschnittdraufsicht eines Lautsprechers gemäß einem
weiteren Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung;
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3 eine
schematische Teilschnittdraufsicht eines Lautsprechers gemäß einem
weiteren Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung;
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4 eine
schematische Teilschnittdraufsicht eines Lautsprechers gemäß einem
weiteren Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung;
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5 eine
schematische Teilschnittdraufsicht gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung; und
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6 eine
Teilschnittdraufsicht eines Lautsprechers gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung, wobei lediglich die Körperschallerzeugungseinrichtung
und nicht die Longitudinalschwingungserregungseinrichtung gezeigt
ist.
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Bevor die vorliegende Erfindung Bezug
nehmend auf die Zeichnungen näher
erläutert
wird, wird darauf hingewiesen, daß gleiche oder funktionsgleiche
Elemente in den Zeichnungen mit den gleichen oder ähnlichen
Bezugszeichen versehen sind, und daß zur Vermeidung von Wiederholungen
in der Beschreibung der Figuren eine erneute Erläuterung dieser Elemente weggelassen
wird.
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Anhand der 1a–1d wird zunächst das allgemeine
Prinzip der vorliegenden Erfindung anhand eines Ausführungsbeispieles
für einen
Lautsprecher näher
erläutert.
Der Lautsprecher, der allgemein mit 10 angezeigt ist, besteht im
wesentlichen aus einer als Membran dienenden Platte 12,
einer Körperschallerzeugungseinrichtung 14,
einer Longitudinalschwingungserregungseinrichtung 16 und
einer Erregungssignalerzeugungseinrichtung 18.
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Die Körperschallerzeugungseinrichtung 14 arbeitet
nach dem elektrodynamischen Prinzip und ist in 1a detaillierter im Querschnitt dargestellt. Die
Körperschallerzeugungseinrichtung 14 umfaßt einen
ringförmigen
Permanentmagnet 20, der entlang seiner Rotationsachse polarisiert
ist, einen zentriert bzw. koaxial zu dem ringförmigen Permanentmagnet 20 angeordneten
zylindrischen Polkern 22 und eine sich in einem ringförmigen Luftspalt
zwischen Polkern 22 und Permanentmagnet 20 erstreckende
Schwingspule 24. Darüber
hinaus kann die als elektrodynamischer Antrieb gebildete Körperschallerzeugungseinrichtung 14 beispielsweise Scheibenoder
ringförmige
Polplatten aufweisen. Natürlich
ist ein anderer Aufbau des elektromotorischen Antriebs ebenfalls möglich. Der
aus der Schwingspule 22 bestehende Teil einerseits und
der aus dem Polkern 22 und dem Permanentmagnet 20 bestehende Teil
der Körperschallerzeugungseinrichtung 14 andererseits
sind gegeneinander verschiebbar. Die so gebildete Körperschallerzeugungseinrichtung 14 ist über den
die Schwingspule 22 enthaltenden Teil an der Platte 12 zentriert
befestigt. Wie es im folgenden beschrieben wird, ist der umgekehrte
Fall jedoch ebenfalls denkbar. Ansonsten ist die Körperschallerzeugungseinrichtung
nicht fixiert bzw. ungehaltert, d.h. der andere aus den Komponenten 20 und 22 bestehende
Teil, ist frei beweglich.
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Der elektrodynamische Antrieb 14 wandelt ein
elektrisches Erregungssignal, das durch die Schwingspule 24 fließt, nach
dem elektrodynamischen Prinzip in eine mechanische Relativschwingungsbewegung
zwischen den beiden Teilen, dem an der Platte 12 befestigten
und dem frei beweglichen, um. Der frei bewegliche Teil besitzt vorteilhafterweise
genügend
Trägheit,
um die mechanische Relativschwingungsbewegung effektiv auf die Platte 12 zu übertragen,
wodurch in der Platte 12 Körperschall und insbesondere
Biegewellen erzeugt werden, wie es in 1a übertrieben
dargestellt ist. Das Erregungssignal, welches durch die Schwingspule 24 fließt, erhält dieselbe
von der Erregungssignalerzeugungseinrichtung 18, die dasselbe
wiederum aus einem elektrischen Tonsignal erzeugt, welches die wiederzugebenden
Informationen auf geeignete Weise anzeigt.
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Auch die Longitudinalschwingungserregungseinrichtung 16 arbeitet
nach dem elektrodynamischen Prinzip und ist in 1b im Querschnitt dargestellt. Die Longitudinalschwingungserregungseinrichtung 16 ist
koaxial zu der Körperschallerzeugungseinrichtung 14 angeordnet.
Der elektrodynamische Antrieb der Longitudinalschwingungserregungseinrichtung 16 umfaßt ebenfalls
einen Permanentmagnet 30, einen Polkern 32 und
eine Schwingspule 34. Die Schwingspule 34 erhält ihr elektrisches Erregungssignal
ebenfalls von der Erregungssignalerzeugungseinrichtung 18,
die dasselbe aus demselben die wiederzugebenden Informationen anzeigenden
Tonsignal erzeugt. Der die Schwingspule 34 umfassende Teil
berührt
die Platte 12 – oder
ist mit derselben verbunden – über einen
Adapter 36. Anders ausgedrückt ist die Schwingspule 34 fest
mit dem Adapter 36 verbunden, der sich von der Schwingspule 34 aus
in Richtung der Platte 12 erstreckt und dabei radial ausdehnt,
um an der Platte 12 im Ruhezustand des Lautsprechers 10 entlang
eines ringförmigen
Erregungsbereiches mit gewissem Durchmesser entweder anzuliegen
oder befestigt, wie z.B. angeklebt, zu sein, und um zusammen mit der
Platte 12 die Körperschallerzeugungseinrichtung 14 zu
umgeben. Insbesondere besteht der Adapter 36 aus einem
Zylindermantel 38 mit einem Durchmesser, der ein Zehntel
der Ausdehnung der Platte 12 an der schmalsten Stelle überschreitet,
und Stegen 40, die sich radial erstrecken und den Zylindermantel 38 mit
der Schwingspule 34 verbinden, derart, daß der Zylindermantel 38 koaxial
zu einem Erregungspunkt ausgerichtet ist, an welchem die mechanische
Schwingung der Körperschallerzeugungseinrichtung 14 auf
die Platte 12 ausgeübt
wird.
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Der Adapter 36 muß nicht,
wie in 1a–1d gezeigt, einen kreisförmigen Querschnitt
bzw. einen kreisförmigen
Erregungsbereich aufweisen und als Ringadapter gebildet sein, sondern
kann beispielsweise auch rechteckig gebildet sein. Die Ausdehnung
des Erregungsbereiches beträgt
beispielsweise zwischen einem Zehntel und neuen Zehnteln der Ausdehnung
der Platte 12 in der jeweiligen Ausdehnungsrichtung der
Platte 12. Der Adapter 36 ermöglicht, daß die mechanische Schwingung
des Antriebs 16 zu einer longitudinalen Schwingungsbewegung der
Platte 12 nahezu im ganzen, also translatorisch, führt, wie
es im folgenden erläutert
werden wird. Durch den koaxialen bzw. den zentralsymmetrischen Aufbau
wird die Beeinflussung verringert, die die Longitudinalschwingungserregungseinrichtung 16 durch
den Erregungsbereich bzw. Auflagebereich auf die von der Körperschallerzeugungseinrichtung 14 erzeugten
Biegewellen, die sich an nähernd
isotropisch von dem koaxialen Erregungspunkt der Körperschallerzeugungseinrichtung 14 ausbreiten,
ausübt.
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Entlang der Auflagefläche des
Adapters 36 können
Stützen
angeordnet sein, die von dem Adapter 36 in Richtung der
Platte 12 vorstehen, so daß der Adapter 36 nur
an vereinzelten Stützpunkten,
d.h. den Enden der Stützen,
auf der Platte 12 aufliegt oder dort befestigt ist. Hierdurch
kann der Einfluß des Adapters 36 bzw.
der Longitudinalschwingungserregungseinrichtung 16 auf
den erzeugten Körperschall weiter
reduziert werden, ohne wesentlich die Gleichmäßigkeit des Antriebs der der
Longitudinalschwingungserregungseinrichtung 16 beeinträchtigen.
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Während
der aus der Schwingspule 34 bestehende Teil des elektrodynamischen
Antriebs der Longitudinalschwingungserregungseinrichtung 16 über den
Adapter 36 mit der Platte 12 verbunden, oder,
durch Anlegen, gekoppelt ist, ist der andere, aus dem Magneten 30 und
dem Polkern 32 bestehende Teil ortsfest fixiert, wie z.B.
an einer Rückwand des
Lautsprechers (nicht gezeigt) befestigt. Auf diese Weise ist die
Kraftübertragung
der von der Longitudinalschwingungserregungseinrichtung 16 erzeugten
mechanischen Schwingung auf die Platte 12 größer als
bei der Körperschallerzeugungseinrichtung 14.
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Nachdem im vorhergehenden der Aufbau des
Lautsprechers von 1a–1d beschrieben worden ist,
wird im folgenden dessen Funktionsweise beschrieben. Um das elektrische
Tonsignal, welches die wiederzugebenden Informationen angibt, in
Luftschall in Form von Longitudinalwellen bzw. Druckwellen umzuwandeln,
umfaßt
der Lautsprecher 10 die zwei Einrichtungen 14 und 16.
Beide Einrichtungen 14 und 16 übernehmen die Wiedergabe der
wiederzugebenden Informationen für
unterschiedliche Frequenzbereiche bzw. Frequenzbänder. Die Körperschallerzeugungseinrichtung 14 ist
für die
Wiedergabe des Hoch- und Mitteltonbereiches zuständig, während die Longitudinalschwingungserregungseinrichtung 16 für den Tieftonbereich
zuständig
ist. Obwohl es möglich
ist, das elektrische Tonsignal den elektrodynamischen Antrieben
beider Einrichtungen 14 und 16 und somit den beiden
das gleiche Erregungssignal zuzuführen, womit die Einrichtung 18 gegebenenfalls überflüssig wäre, wird
es bevorzugt, daß denselben
verschiedene Erregungssignale zugeführt werden, die hinsichtlich
des Frequenzbandes voneinander abweichen und optimal an den jeweiligen
Arbeitsbereich der Einrichtung 14 bzw. 16 angepaßt sind.
So erhält
die Einrichtung 14 einen höherfrequenteren Anteil des
Tonsignals als die Einrichtung 16. Der Frequenzbereich
des Erregungssignals für
die Körperschallerzeugungseinrichtung 14 erstreckt
sich beispielsweise von 100 Hz bis 25kHz und vorzugsweise von 150Hz
bis 20kHz, während
sich der Frequenzbereich des Erregungssignals für die Longitudinalschwingungserregungseinrichtung 16 beispielsweise von
10Hz bis 2kHz und vorzugsweise von 20Hz bis 200Hz erstreckt. Hierzu
kann die Erregungssignalerzeugungseinrichtung 18 beispielsweise
als Frequenzweiche ausgeführt
sein. Allgemein ist es also vorteilhaft, wenn der Frequenzbereich
zur Körperschallerzeugung
eine Frequenz umfaßt,
die höher
ist als alle von dem Frequenzbereich zur Longitudinalschwingungserregung
umfaßten
Frequenzen, oder die Frequenzbereiche umfassen eine erste Frequenz,
an dem das Erregungssignal zur Körperschallerzeugung
höher als
das andere Erregungssignal ist, und eine zweite, zu der ersten niedrigere
Frequenz, an dem das Erregungssignal zur Longitudinalschwingungserregung
gleich dem anderen Erregungssignal oder höher als dasselbe ist.
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Die durch das Erregungssignal durch
die Schwingspule 24 erzeugten mechanischen Schwingungsbewegungen
führen
in der Platte 12 zu Körperschall
in der Platte 12 und insbesondere zu Biegewellen, die wiederum
an der Schnittstelle Luft-Platte
zu Luftschall umgewandelt werden. Die Körperschallerzeugungseinrichtung 14 weist
hierzu vorteilhafterweise ein ausreichendes Trägheitsmoment auf.
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Die Longitudinalschwingungserregungseinrichtung 16 versetzt
die Platte 12 in longitudinale Schwingungsbewegungen 42 mit
einem Hub, der bedeutend größer, wie
z.B. mehr als 20 mal größer, als die
Amplitude der Körperschallerzeugungseinrichtung 14 sein
kann, wie z.B. 20mm. Diese longitudinale Vor- und Zurückbewegung 42 der
Platte 12 führt unmittelbar
zu longitudinalen Luftschallwellen bzw. Druckwellen 44 im
Tieftonbereich. Um den großen Hub
der Longitudinalschwingungserregungseinrichtung 16 zu ermöglichen,
ohne daß durch
die Masse des Antriebs der Longitudinalschwingungserregungseinrichtung 16 die
Schwingspule 34 nicht mehr senkrecht in das Feld des Luftspaltes
eintauchen kann und somit Verzerrungen entstehen, ist die Longitudinalschwingungserregungseinrichtung 16 mit
dem den Magnet 30 und den Polkern 32 umfassenden
Teil des Antriebs fixiert, wie z.B. an einer Rückwand. Der Adapter 36 dient
dazu, die mechanische Schwingungsbewegung der Schwingspule 34 derart über die
Platte 12 verteilt zu übertragen,
daß die
Platte 12 zu im wesentlichen translatorischen Schwingungsbewegungen
in Richtung senkrecht zu einer Ausdehnungsrichtung der Platte 12 angeregt wird,
d.h. die Platte möglichst
im ganzen vor und zurück
schwingt. Die Platte 12 schwingt somit in sich in Form
von Biegewellen, wie es in 1a gezeigt
ist, und zusätzlich
als Ganzes einheitlich vor und zurück, wie es durch den Doppelpfeil 42 in 1b gezeigt ist.
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Obwohl es möglich wäre, die Platte 12 lediglich über eine
feste Verbindung durch den Adapter 36 mit dem die Schwingspule 34 umfassenden
Teil des Antriebs der Longitudinalschwingungserregungseinrichtung 16 und
die Führung
dieses Teil.,in dem den Permanentmagnet 30 und den Polkern 32 umfassenden
Teil zu tragen, wie z.B. bei Anbringung des Lautsprechers im herunterhängenden
Zustand an der Decke, wird es bevorzugt, wenn zusätzlich eine
Halterung für
die Platte 12 vorgesehen ist, wie es bei den nachfolgenden
Ausführungsbeispielen
der Fall ist. Obwohl es ferner möglich
ist, die translatorische Longitudinalschwingungsbewegung 42 der
Platte 12 lediglich über
den elektrodynamischen Antrieb zu erzeugen, wird es bevorzugt, wenn
die Platte 12 derart schwingfähig aufgehängt bzw. gelagert ist, daß bei einer
longitudinalen Translation der Platte 12 aus einer Ruhelage
derselben in Richtung senkrecht zu der Plattenausdehnung eine durch
die Aufhängung
bewirkte Kraft dieser translatorischen Auslenkung entgegenwirkt,
um die Membran in die Ruhelage zurückzubringen. Auf diese Weise
bilden Aufhängung
und Platte 12 ein schwingfähiges System, bei dem die Platte 12 in
der Lage ist, translatorisch sich in Richtung senkrecht zur Ausdehnungsrichtung
vor und zurück
zu bewegen. Dieses Schwingungssystem sollte für eine Eigenfrequenz ausgelegt
sein, die in der Nähe
des Tieftonbereiches liegt, für
den die Longitudinalschwingungserregungseinrichtung 16 zuständig ist,
um die Resonanzüberhöhung ausnutzen
zu können.
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Im folgenden werden verschiedene
Ausführungsbeispiele
beschrieben, anhand welcher verschiedene Möglichkeiten für die Aufhängung der
als Membran dienenden Platte, für
die Befestigung der Longitudinalschwingungserregungseinrichtung
sowie für
die Positionierung derselben auf der Platte beschrieben werden.
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2a und 2b zeigen ein Ausführungsbeispiel
für einen
Lautsprecher, bei dem als die einzigen Unterschiede zu dem Ausführungsbeispiel
von 1a-1d die Longitudinalschwingungserregungseinrichtung
aus vier elektrodynamisch arbeitenden Antrieben 16a, 16b, 16c und 16d besteht,
und die als Membran dienende Platte 12 über eine Spinne 50 an einem
Rahmen 52 aufgehängt
ist, welcher wiederum an einer Rückwand 54 befestigt
ist, an welcher wiederum auch der den Permanentmagnet 30 und
den Spulenkern 32 umfassende Teil der elektrodynamisch
arbeitenden Antriebe 16a-d befestigt ist.
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Die Spinne 50 besteht aus
entlang des Umfangs angebrachten elastischen Bändern 56, wie z. B.
Gummibändern,
welche sich von ihren Anbringungsenden am Umfang der Platte 12 aus
im wesentlichen sternförmig
von der Mitte der Platte 12 nach außen hin wegweisend erstrecken,
um am anderen Ende an dem Rahmen 52 befestigt zu sein.
Die Bänder 56 sind
bezüglich
ihrer Befestigung und Federkonstanten derart ausgelegt, daß jedes
Randstück
gleichermaßen
beeinflußt
wird. Durch die Befestigung der Antriebe 16a-16d an der
Rückwand
einerseits und die Aufhängung
der Platte 12 über
die Spinne 50 andererseits wird die Gefahr gebannt, daß durch
die Masse der Antriebe 16a-16d die Schwingspulen 34 derselben
nicht mehr senkrecht in das Feld des Luftspaltes eintauchen können und
somit Verzerrungen entstehen. Die als Membran dienende Platte 12 und
die Antriebe 16a-16d werden bei Zusammenbau bevorzugterweise
so justiert, daß keine
die Bewegungsrichtung des anderen beeinflußt. Auf diese Weise haben die
Membran- bzw. Plattenmasse und die Masse der Longitudinalschwingungserregungseinrichtung 16 keinen
Einfluß auf
die Schwingungsrichtung der Erregerspulen 34 der Antriebe 16a-16d. Die
Spinne 50 übernimmt
die Funktion einer Sicke, die die Membran bzw. Platte 12 nach
jeder Auslenkung dämpft
und in die Ausgangsposition bzw. Ruhelage zurückbringt. Die Rückwand 54 kann
als Teil eines Lautsprechergehäuses
dienen. Das Vorsehen eines Lautsprechergehäuses ist jedoch nicht erforderlich.
Aufgrund der zentralsymmetrischen Anordnung der Antriebe 16a-16d ist
die Störung,
die dieselben durch ihre Berührung
bzw. Verbindung mit der Platte 12 an den Erregungspunkten
auf die Biegewellen, die durch die Körperschallerzeugungseinrichtung 14 erzeugt
werden, ausüben,
reduziert. Die Erregungsantriebe (16a-16d) werden gleichphasig
entweder von ein und demselben Erregungssignal getrieben oder durch
solche, die sich hinsichtlich der Amplitude unterscheiden, um Randeffekte
der Membranplatte 12 auszugleichen.
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Bezug nehmend auf 3 wird ein Ausführungsbeispiel für einen
Lautsprecher beschrieben, der sich von dem Lautsprecher von 2a-2b durch eine andere Aufhängung unterscheidet,
die aber ebenfalls eine translatorische longitudinale Schwingungsbewegung
der als Membran dienenden Platte
12 vor und zurück um eine
Ruhelage ermöglicht.
Bei diesem Ausführungsbeispiel
wird die Membran 12 federnd auf jeweils einer Achse 60 pro
Ecke der rechteckigen, als Membran dienenden Platte 12 gelagert. Die
Achsen 60 sind fest an der Rückwand 54 befestigt,
an welcher auch die Antriebe 16a-16d angebracht sind, wobei
die Achsen 60 senkrecht von der parallel zur Platte 12 verlaufenden
Rückwand 54 vorstehen,
d.h. sich in Richtung der durch die Antriebe 16a-16d bewirkten
translatorischen longitudinalen Schwingungsrichtung erstrecken.
Die Lagerung der Platte 12 an jeder Ecke ist beispielsweise
durch ein entsprechendes Loch an jeder Ecke realisiert, durch welches
sich die jeweilige Achse 60 erstreckt. Eine federnde Lagerung
der Platte 12 an jeder Ecke auf den Achsen 60 wird
durch beispielsweise Spiralfedern 62 erzielt, die die Achsen 60 umgeben,
von denselben geführt
werden und ein an der jeweiligen Ecke der Platte 12 befestigtes
Ende und ein festes, beispielsweise mit der Rückwand 54 verbundenes
Ende, aufweisen. Natürlich
kann auch jedes andere elastische Mittel dazu verwendet werden,
um für
die jeweilige Ecke ein Potentialminimum zu definieren. Senkrechtes
Eintauchen der Schwingspulen der Antriebe 16a-16d wird durch
die Aufhängung
nach 3 ebenfalls sichergestellt.
Ferner erfolgt der Zusammenbau wiederum vorzugsweise derart, daß die Membran 12 und
die Antriebe 16a-16d nicht gegenseitig ihre Bewegungsrichtungen
beeinflussen. Wie auch bei 2a und 2b kann die Rückwand 54 als Teil
eines Lautsprechergehäuses
dienen. Membranmasse und Masse der Longitudinalschwingungserregungseinrichtung 16a-d haben
weniger Einfluß auf die
Schwingungsrichtung der Schwingspulen 34 der Antriebe 16a-16d,
d.h. sie tauchen wie im nicht eingebauten Zustand in den jeweiligen
Luftspalt ein. Die Federn übernehmen
die Funktion der Sicke, die die Membran 12 nach jeder Auslenkung
dämpft
und in die Ausgangsposition zurückbringt.
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Wie bereits Bezug nehmend auf 1a–1d beschrieben
worden ist, kann der die Schwingspule umfassende Teil der Antriebe
der Longitudinalschwingungserregungseinrichtung mit der Platte 12 entweder
fest verbunden sein oder an derselben lediglich anliegen. In beiden
Fällen
wird es bevorzugt, daß bei
Zusammenbau der Lautsprecher nach 2a, 2b und 3 der Abstand zwischen der Membranplatte 12 und
den Antrieben 16a-16d in der Ruhelage der Membranplatte 12 derart
eingestellt wird, daß sich
dieselben gerade berühren
aber im Ruhezustand dieselben keine Kräfte aufeinander ausüben. Damit
die Membranplatte den Bewegungen der Antriebe 16a-16d besser
folgen kann, wird der die Schwingspule 22 bzw. 34 umfassende
Teil derselben vorzugsweise mit der Platte 12 beispielsweise
verklebt.
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4 zeigt
ein Ausführungsbeispiel
eines Lautsprechers, bei dem im Unterschied zu dem Lautsprecher
nach 3 die die Longitudinalerregungseinrichtung
bildenden Antriebe 16a-16d nicht über den die Schwingspule 34 umfassenden
Teil, wie z.B. über
einen Schwingungsspulenträger,
an der Membranplatte 12 befestigt sind sondern über den
den Permanentmagnet 30 umfassenden Teil des elektrodynamischen
Erregersystems. Die Schwingspule 34 ist hingegen an der
Lautsprecherrückwand 54 und
nicht an der Membranplatte 12 befestigt. Für das senkrechte
Eintauchen der Schwingspule 34 in den Luftspalt zwischen
Permanentmagnet 30 und Polkern 32 sorgt weiterhin
die Aufhängung,
d.h. die Achsen 60 mit den Federn 62 bzw. die
Spinne 50.
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5 zeigt
ein Ausführungsbeispiel
eines Lautsprechers, bei dem, wie bei den vorhergehenden Ausführungsbeispielen,
beide Erregungseinrichtungen 14 und 16 nach dem
elektrodynamischen Prinzip arbeiten, wobei jedoch der elektrodynamische
Antrieb der Longitudinalschwingungserregungseinrichtung 16 als
Magneten den Permanentmagneten der Körperschallerzeugungseinrichtung 14 verwendet. Hinsichtlich
Aufhängung
und Körperschallerzeugungseinrichtung 14 entspricht
das Ausführungsbeispiel
von 5 demjenigen von 3 und 4. Im Unterschied zu den Ausführungsbeispielen
von 3 und 4 umfaßt die Longitudinalschwingungserregungseinrichtung 16 jedoch
lediglich eine koaxial zu der Schwingspule
24 des Antriebs
der Körperschallerzeugungseinrichtung 14 angeordnete Schwingspule 70,
die an der Rückwand 54 befestigt ist.
Beide Schwingspulen 24 und 70 wirken mit demselben
Permanentmagnet 20 zusammen. Bei dieser Konstruktion kann
zusätzlich
ein weiterer Polkern um die Schwingspule 70 vorgesehen
sein. Die Schwingspule 70 umringt somit die Körperschallerzeugungseinrichtung 14.
Wie also auch bei den Ausführungsbeispielen
von 2a, 2b und 3 ist
der die Schwingspule 70 umfassende Teil des Antriebs der Longitudinalschwingungserregungseinrichtung 16 fixiert,
während
der andere Teil an der Membranplatte 12 befestigt ist,
vorliegend nämlich
der Permanentmagnet 20 der Körperschallerzeugungseinrichtung 14.
Der Antrieb der Körperschallerzeugungseinrichtung 14 ist
hingegen lediglich an der Platte 12 befestigt, nämlich mit
dem die Schwingungsspule 24 umfassenden Teil.
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6 zeigt
ein Ausführungsbeispiel
für eine spezielle
Befestigung der Körperschallerzeugungseinrichtung 14 an
der als Membran dienenden Platte 12. Statt wie bei den
vorhergehenden Beispielen einer Befestigung der Schwingspule an
der Membranplatte 12 über
einen ringförmigen
Schwingungsspulenträger
auf einem Erregungsbereich ist bei dem Ausführungsbeispiel von 6 ein Schwingspulenträger 80 vorgesehen,
der die Schwingspule 24 trägt und an dem der Membranplatte 12 zugewandten
Seite einen kegelförmigen
Teil aufweist, wobei die Kegelspitze mit der Membran 12 verbunden
ist. Hierdurch wird eine optimale Punktanregung der als Membran
dienenden Platte 12 zu Biegewellen und eine höhere obere
Grenzfrequenz der Körperschallerzeugungseinrichtung
erzielt.
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Abschließend wird noch darauf hingewiesen, daß es möglich ist,
einen erfindungsgemäßen Lautsprecher
mit Gehäuse
herzustellen, bei dem die als Membran dienende Platte über eine
luftdichte Aufhängung
an dem Gehäuse
aufgehängt
ist, um das Gehäuse
luftdicht abzuschließen.
Um dies zu ermöglichen,
kann eine spezielle Sicke verwendet werden, wie z.B.
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ein durchgehendes, zwischen dem Umfang der
Platte 12 und dem Umfang einer entsprechenden Aussparung
der Lautsprecherbox gespanntes elastisches Band. Für sehr schwere
Membranplatten bzw. Kombinationen aus Membranplatte und aufgeklebten Erregungssystemen,
kann die Dicke noch zusätzlich durch
die Feder-Achsen-Aufhängung
nach 3 oder durch die
Spinnenaufhängung
nach 2a und 2b unterstützt werden.
Da durch die longitudinale Translationsbewegung der gesamten Membran
ausreichend Luftvolumen bewegt wird, kann hierbei zusätzlich das
Baßreflexprinzip
genutzt werden. Dazu wird ein Loch für den Reflexionskanal, beispielsweise seitlich,
in das Gehäuse
eingearbeitet.
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Es wird darauf hingewiesen, daß, obwohl
im vorhergehenden bei jedem Ausführungsbeispiel
lediglich eine Körperschallerzeugungseinrichtung
vorgesehen war, ferner mehrerer solcher Einrichtungen verwendet
werden können.
Hierbei ist eine Verteilung um die Mitte der Membranplatte bevorzugt.
Jedoch ist sowohl im Fall lediglich einer als auch im Fall mehrerer
Körperschallerzeugungseinrichtungen
auch eine dezentrierte Anordnung entfernt von der Mitte möglich. Die
Anordnung sollte derart gewählt
werden, daß die
Anregung der Biegewellen optimal ist.
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Ferner können zum Versetzen der Membranplatte
in longitudinale Vor- und Zurückschwingungsbewegungen
nicht nur eine oder vier Antriebe vorgesehen sein, sondern jede
beliebige Anzahl. Bei Verwendung mehrerer solcher Longitudinalschwingungsantriebe
werden dieselben vorteilhafter Weise derart angeordnet, daß die Membranplatte über die gesamte
Fläche
hinweg gleichmäßig verteilt
angetrieben wird. Bei mehreren Antrieben kann der Adapter fehlen,
wie es auch bei den Beispielen von 2-4 der Fall ist. Die Anordnung
mehrerer solcher Longitudinalschwingungsantriebe ist bevorzugterweise
immer zentralsymmetrisch bezogen auf die Membranplatte. Durch die
Verwendung mehrerer Longitudinalschwingungsantriebe steigt der mögliche Schallpegel
des Lautsprechers.
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Ferner wird darauf hingewiesen, daß die obigen
Variationen der Ausführungsbeispiele
nach 1a – 6 beliebig miteinander kombiniert
werden können,
sowohl in Hinblick auf die Aufhängung, die
Positionen der Antriebe als auch die Anbringung der relativ zueinander
beweglichen Teile der Antriebe.
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Ferner wird hinsichtlich der vorhergehenden Beschreibung
der 2a-5 darauf hingewiesen, daß anstatt
der elastischen bzw. schwingungsfähigen Aufhängung der Membranplatte durch
die vorbeschriebenen elastischen Einrichtungen, d.h. die elastischen
Bänder 56 und
die Federn 62, ferner eine elastische Aufhängung bzw.
Befestigung der Antriebe der Longitudinalschwingungserregungseinrichtung
vorgesehen sein könnte,
während
die Membranplatte hingegen lediglich durch die Achsen 60 geführt oder
frei ist.
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Ferner könnten auch andere Antriebe
als die im vorhergehenden beschriebenen vorgesehen sein, Antriebe,
die auf einem anderen Wandlerprinzip als dem elektrodynamischen
Prinzip beruhen. Insbesondere der für die Körperschallerzeugung verwendete Antrieb
könnte
ferner als nach dem piezoelektrischen Prinzip arbeitend ausgeführt sein,
wie z.B. als ein Piezokristall, der auf der einen Seite mit der
Membran verbunden ist und auf der anderen Seite mit einem Gewicht
verbunden und ansonsten frei beweglich ist.
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Abschließend wird noch darauf hingewiesen, daß es ferner
möglich
ist, daß die
Körperschallerzeugungseinrichtung
nicht fest mit der Membran verbunden ist, sondern daß sie beispielsweise
durch eine geeignete Vorrichtung von oben herabhängend auf einer festen Höhe, aber
ansonsten in longitudinaler Schwingungsrichtung der vertikal ausgerichteten Membran
frei beweglich gehalten wird, um in Ruhelage an der Membran anzuliegen.