DE2806895A1 - Elektromagnetischer wandler - Google Patents

Description

Elektromagnetischer Wandler

Die Erfindung bezieht sich auf elektrodynamische Lautsprecher, welche Membranen besitzen, die über ihre Ausdehnung mehrere Leiter tragen, wobei die Fläche dieser Ausdehnung auf einer oder beiden Seiten einer sehr ähnlichen Fläche von Magnetpolen gegenüberliegt. Bei einer bevorzugten Anordnung verlaufen die Leiter seitlich parallel und in gleichförmigem Abstand, und sie werden in gleicher Weise parallel durch in gleicher Richtung verlaufende Ströme gespeist; die Magnete bestehen aus parallelen Reihen oder als parallele längliche Einzelelemente ausgebildeten Nordpolstücken auf einer Seite und Südpolstücken auf der anderen Seite. Die betreffenden Flächenbereiche wären typischerweise ein zentraler, relativ großer kleinerer Teil der Gesamtfläche der Membran. Bei einigen Ausführungsformen der Erfindung ist die Membran rechteckig und auch dieser Flächenbereich ist rechteckig und erstreckt sich über eine ganze Ausdehnungsrichtung, nämlich die Höhe der Membran,, In der Breite würden beiderseitig des angeregten Flächenbereiches gleiche unangeregte Flächenbereiche sein.

Die Erfindung betrifft nicht solche elektrodynamischen Lautsprecher, bei denen praktisch die gesamte Membran erregt wird und zu diesem Zwecke Leiter trägt. Die Aufgabe der Erfindung betrifft den Wirkungsgrad sowie in Verbindung damit einen vernünftig gleichförmigen Amplituden/Frequenz-Gang über einen mittleren Hörbereich.

Ein Aspekt der Erfindung liegt in der Verbesserung der Abmessungen der öffnung, durch welche eine solche Membran akustisch mit der ümgebungsatmosphäre gekoppelt ist. Diese Öffnung ist typischerweise rechtwinklig und erstreckt sich in etwa über die Höhe und Breite der Fläche der Leiter und der gegenüberliegenden Magnetpole. Die Abmessungen der Öffnung beeinflussen die untere und die obere Grenζfrequenz, die Tonverteilung bei ver-

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schiedenen Frequenzen, die Bandbreite, den Wirkungsgrad der Energieabstrahlung und weitere Parameter.

Ein zweiter Aspekt der Erfindung liegt im Vorschlag jeweils einer Schallwand an jeder Seite der Polstücke und an jeder Seite der Strahlungsöffnung. Das wirkt sich auf eine Minimalisierung der Schwingungskopplung dieser beiden nicht angeregten (also nicht unmittelbar angetriebenen) Bereiche der Membran, insbesondere bei mittleren Frequenzen im Hörbereich, aus. Diese Bereiche werden indirekt durch den elektromagnetischen Antrieb des leitertragenden mittleren Flächenbereiches bei den wiederzugebenden tiefen und mittleren Frequenzen angetrieben.

Bei hohen Frequenzen begrenzt die vorhandene Dämpfung und Steifigkeit in den äußeren Bereichen des Membranmaterials die Schwingungen auf den mittleren Bereich. Bei tiefen Frequenzen verhindert die Dämpfung, Steifheit und Gewichtsbelastung der äußeren Flächenbereiche nicht, daß diese gleichförmig, also in Phase, mit dem mittleren angetriebenen Flächenbereich schwingen. Für die mittleren Frequenzen ergeben sich Probleme, weil die äußeren Flächenbereiche zwar in Übereinstimmung aber nicht gleichmäßig mit den inneren Flächenbereichen schwingen. Daher ändert sich die Schwingungsphase über die Membranfläche, und scharfe Änderungen des Frequenzganges, nämlich Frequenzeinbrüche und unzulässige Oberwellenverzerrungen treten auf. Die Schallwände begrenzen eine nennenswerte Energiekopplung bei den mittleren Frequenzen auf den inneren, unmittelbar angetriebenen Membranteil. Jedoch können die tiefen Frequenzen ohne Behinderung ausgekoppelt werden, da solche Phasenänderungen in ihrer Größe abnehmen .

Es seien nun anhand der beiliegenden Zeichnungen Ausführungsformen der Erfindung beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine Draufsicht auf eine Membran und eine Liniendarsteilung der gegenüberliegenden linearen Magnetpolstücke;

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Fig. 2 einen nichtmaßstäblichen Schnitt durch die Membran längs der Linie A-A in Fig. 1;

Fig. 3 einen ähnlichen Schnitt durch eine Membran mit zusätzlichen (Schailwand) Blenden für die äußeren MembranteiIe;

Fig. 4 ein die typische Beziehung zwischen abstrahlender Höhe (maximale Dimension) und niedrigster Betriebsfrequenz (untere Grenzfrequenz) wiedergebendes Diagramm; und

Fig. 5 ein Diagramm zur Veranschaulichung des Zusammenhangs zwischen Empfindlichkeit und Abstrahlungshöhe.

Die in Fig. 1 dargestellte Membran hat ihre maximale Ausdehnung, nachfolgend als Länge bezeichnet, in Höhenrichtung, über die Länge sind in der Mitte Linien 2 gegenüberliegender Magnete gezeichnet, welche die unmittelbar elektromagnetisch angetriebenen Bereiche der Membran darstellen. Die äußeren Flächenbereiche 3, 4, die sich ebenfalls über die Länge der Membran erstrecken, werden indirekt in Übereinstimmung mit dem mittleren Bereich in Schwingungen versetzt, außer bei hohen Frequenzen, wo Hystereseverluste und Trägheitserscheinungen verhindern, daß sie dem direkt angeregten mittleren Bereich in nennenswertem Maße nachfolgen. Über die zentrale Membranflache sind in dichter Nachbarschaft zu den gegenüberliegenden Magneten bei 2 nicht dargestellte Leiter auf der Membran angeordnet. Die mittlere Fläche 2 hat die Länge h der Membran und die Breite w*, während die Membranbreite mit w~ bezeichnet ist.

Vorhandene Lautsprecher sind einer Anzahl von Beschränkungen unterworfen, nämlich

mangelhafte Beeinflussung des Frequenzganges infolge der unzureichenden Membrantechnologie,

Lautsprecherchassis mit geglättetem Frequenzgang sind ungeeignet zur Abstrahlung hoher akustischer Ausgangsleistungen und halten keine Überlastungen aus, ohne Schaden zu nehmen,

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ungleichmäßiger Frequenzgang, sofern nicht erhebliche Wirkungsgradeinbußen in Kauf genommen werden.

Wenn man eine ebene Membran in einem Lautsprecher verwenden will, dann muß man die Beziehungen zwischen akustischer Ausgangsleistung, Bandbreite, geometrischer Form und physikalischer Größe des Strahlers berücksichtigen. Weiterhin sind die elektromagnetischen Eigenschaften des Erregersystems zu betrachten, mit Hilfe dessen die Membran angetrieben wird. Man hat bereits elektrodynamische Antriebssysteme auch für einen ebenen Strahler verwendet, und solche Systeme sind bereits früher von Siemens (Blatt-haller), Kelly (1954, Poutot (1961) und Gamzon (1961) vorgeschlagen worden, und es existieren einige kommerzielle Ausführungen, vornehmlich der "Magnaplanar", der "Wharfedale Isodynamic"-Kopfhörer und der "Magnastat" von Cerwin Vega.

Für den Entwurf und die Konstruktion eines Lautsprechers sind eine Anzahl von Parametern zwangsläufig zu berücksichtigen, nämlich die Bandbreite, der abzugebende Schalldruck, der Wirkungsgrad usw. Die Abmessungen eines solchen elektrodynamischen Wandlers werden vornehmlich durch die beiden ersten Kriterien bestimmt. Für ein akzeptables übertragungsverhalten ergibt sich die Höhe h des in Fig. 1 dargestellten rechteckigen Systems zu •jX(f.j)_f wobei X(f.j) die Schallwellenlänge der niedrigsten Betriebsfrequenz f.. ist.

Die Breite der angetriebenen FJäche W₁ ergibt sich zu w = -x-Xifj) r wobei λ(ί₂) die Schallwellenlänge der höchsten Betriebsfrequenz ist, und diese Beziehung ergibt sich aus Überlegungen hinsichtlich der horizontalen Dispersion. Im Interesse akzeptabler Schallausgangspegel sei hier die vertikale Dispersion nicht berücksichtigt. Für das betriebene Chassis mit f. = 300 Hz und ±2 = 10 kHz wird dann näherungsweise h = 50 cm und w- = 1,5 cm.

Das elektrodynamische Antriebssystem für die Membran gemäß Fig. 1 ist in Fig. 2 dargestellt. Die äußeren Membranenden sind

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durch Rahmenteile 5, 6 eingespannt. Die Anordnung von Permanentmagneten 7, 8 beiderseits der Membran 1 und der stromführenden Leiter 9 bestimmt sich aus der Notwendigkeit, ein mögliehst starkes Magnetfeld zu erhalten= Entsprechend der Forderung einer ausreichenden Bewegung der Membran zur Erzeugung einer empirisch akzeptablen akustischen Ausgangsleistung hat sich ein Abstand 1 zwischen den Magneten von etwa 8 mm als zweckmäßig erwiesen« Die Breite χ des Leiters 9 bestimmt sich entsprechend dem Wert 1 (8 mm) und der Strahlungsbreite bei hohen Frequenzen (W₁). Bei der beschriebenen Ausführungsform ergibt dies die Notwendigkeit zweier benachbarter Leiterspuren, damit den Dispersionsforderungen Genüge getan wird. Der Abstand zwischen benachbarten Flächen entsprechender Magnetpaare 7 und 8 ist mit d bezeichnet. Da die magnetische Feldstärke an jedem Leiter 9 in inverser Beziehung zu einer Funktion der Form F(I) + F(d) steht,, erlaubt eine Verringerung der Werte von 1 oder d die Konstruktion eines Chassis höheren Wirkungsgrades. Wählt man 1 etwa 8 mm, dann kann man d nennenswert unter 8 mm bis 2 bis 3 mm verkleinern, wobei der Wirkungsgrad sich zunächst wesentlich, dann geringer verbessert. In der Praxis ist ein Verhältnis Isd wie 3 s1 zweckmäßig.

Der Abstand d bestimmt die maximale Membranbewegung zwischen deren Endauslenkungen, und dies ist ein wesentlicher Faktor für die maximale Intensität, insbesondere bei niedrigen Frequenzen. Es ist ferner klar, daß man für einen passenden Wert des Schalldrucks am unteren Ende des Frequenzbereiches eine minimale Abstrahlfläche benötigt (h°w₂). In der Praxis hat sich gezeigt, daß man hierbei Werte für W₂ erhält, die wesentlich größer als w^ sind, was durch die Dispersionserfordernisse begrenzt wird, nämlich typischerweise w- = 10 cm. Wie es für Lautsprecher gleichmäßigen Frequenzgangs bis hinunter zu f- bekannt ist, soll die Grundfrequenz der Membran (f) kleiner als oder gleich f₁ sein, vorzugsweise jedoch nicht größer als f₁. Bei hohen Frequenzen benötigt man die kleineren Flächen und höheren Maximalauslenkungen für dieselbe Schallintensität.

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Diese Überlegungen führen zu einer Ausführung gemäß Fig. 3. Bei tiefen Frequenzen (um f₁) schwingt die gesamte Oberfläche der Membran in Phase. Jedoch ist die Membran nicht ideal, und mit zunehmend höheren Frequenzen in einem mittleren Frequenzbereich schwingen Teile der Membran in Gegenphase zur Membranmitte, der Grund hierfür liegt in Reflexionen von der Einspannung her. Dadurch ergebensich Abweichungen von einem flachen Frequenzgang, also Auslöschungen oder Einbrüche in der Frequenzgangkurve. Bei hohen Frequenzen schwingt die Membran jedoch nur in der Mitte im Bereich der angeregten Leiter. Zur Beeinflussung des Frequenzverhaltens im mittleren Frequenzbereich ist die Anordnung mit vier Blenden 11 bis 14 versehen, die sowohl eine Abstrahlung von den außer Phase schwingenden Membranflächenbereichen verhindern als auch eine akustische Widerstandsdämpfung der Membran bewirken, weil sie das Auftreten und die Größe von Maxima und Minima der Frequenzgangkurve herabsetzen.

Für den Wirkungsgrad eines solchen Lautsprechers sind sowohl akustische als auch elektrische Gesichtspunkte maßgebend. Die akustischen Gesichtspunkte sind bereits erwähnt worden. Der elektrische Wirkungsgrad läßt sich verbessern, wenn man die Kraftgleichung F = BIi betrachtet, wobei B die magnetische Induktion, 1 die Leiterlänge und i der fließende Strom ist. Die Schwingungsamplitude des Systems hängt von der Antriebskraft und umgekehrt von der Masse des Systems ab. Eine Analyse der Verhältnisse bei der hier beschriebenen Anordnung hat gezeigt, daß man ein breites Optimum für den Lautsprecher erhält. Insbesondere ergibt sich eine niedrige Impedanz, so daß hohe Ströme fließen können. Der Lautsprecher braucht normalerweise einen Transformator zur Anpassung an seinen Treiberverstärker. Für eine bestimmte Vertikalabmessung wird die horizontale Breite der Abstrahlfläche so gewählt, daß man einen optimalen Kompromiß zwischen dem breiteren Extrem (besserer Wirkungsgrad) und dem schmaleren Extrem (bessere Dispersionseigenschaften) erhält. Diese optimale Breite ist frequenzabhängig. Hält man das Verhältnis von effektiver Strahlungsbreite zu Schallwellenlänge

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über die gewünschte Bandbreite konstant, dann bleibt mit brauchbarer Näherung der Wirkungsgrad und die Dispersion ebenfalls konstant.

In bekannten Veröffentlichungen wird bei verschiedenen Frequenzen eine Differentialspeisung der Leiter vorgeschlagen. Im Gegensatz dazu handelt es sich hier um eine alternative Technik, welche eine Frequenzabhängigkeit der mechanischen Kopplung zwischen einem relativ schmalen elektrisch unmittelbar angetriebenen Bereich und der breiteren Membran, in welcher sich dieser Bereich befindet, benutzt wird. Die äußeren Membranteile können außer für Baßfrequenzen schwer und steif gemacht werden« Die dynamische Gleichung einer solchen Membran läßt sich in einfacher Form schreiben, so daß man (mechanisch) wie bei einer zentral erregten Geigenseite vorgehen kann, bei der Dämpfung und Steifheit zusätzlich zu Masse und Spannung betrachtet werden, welche normalerweise bei Dynamikbetrachtungen der Geigenseite vorherrschen. Die Dämpfung, Steifheit und Masse können als Variable über der Länge der Geige angesehen werden, ferner die Luftimpedanztenne, die zu den Dämpfungs- und Massetermen hinzuaddiert werden, wo sie von Bedeutung sind. Die Beziehung zwischen der Amplitude an der Stelle χ vom Zentrum ο an gerechnet und den verschiedenen Parametern läßt sich schreiben als

— = f (x, Masse, Steifheit, Spannung, Dämpfung, Frequenz).

Bei der oben erwähnten Strahlungsbreite ist bereits vorausgesetzt worden, daß die anzustrebende Bestimmung des Wellenlängenverhältnisses

⁵ ₍ ^ax ) ₌ 1

δ χ ^a _o Frequenz

ist, und wir können eine weitere Approximation ergänzen, nämlich daß die Masse der Membran genügend groß sein soll, da sie außerhalb der angetriebenen und gekoppelten Membranfläche eher dämpft als für den abgestrahlten Schall durchlässig zu sein,

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So können wir für ein optimales Lautsprecherverhalten die Membranmasse (pro Flächeneinheit), Steifheit, Spannung und Dämpfung als Funktion von χ gegenseitig in Beziehung setzen, so daß die effektive Strahlungsbreite t>_eff mit der Schallwellenlänge λ über eine gewünschte Bandbreite der Beziehung genügt

^beff - ^{k λ}·

Die Öffnung für den Lautsprecher ist schlitzförmig, aber entsprechend dem zweiten Aspekt der Erfindung ist die Membranflache wesentlich größer als die Schlitzfläche. Die technische Wirkung der schlitzförmigen Öffnung und Blenden ist vollständig anders als bei bekannten Lautsprechern, wo die Membran ringsjum eine schlitzförmige Öffnung eingespannt ist. Die Blenden 11 bis 14 können sich nach innen bis zu den Magneten 7 und 8 erstrecken und der Membran sehr dicht gegenüberliegen. Sogar eine leichte Berührung zweier oder aller vier Blenden mit einer oder beiden Seiten der Membran ist zulässig. Die maximalen Membranauslenkungen treten bei Baßfrequenzen auf, und dies muß beim Entwurf berücksichtigt werden; bei einer gegebenen Baßleistung beträgt der Abstand von der Membran typischerweise 0,5 mm.

Ein weiterer Vorteil ergibt sich aus der Konstruktionsform: Die große Abstrahlungsfläche des Leiters reduziert dessen Temperaturanstieg, so daß mehr Verlustleistung vertragen wird. Eine Überlastung des Lautsprechers, bei welcher die Membran gegen die Magnetflächen anstößt, führt lediglich zu Verzerrungen des abgegebenen Schalles, nicht jedoch zu Beschädigungen oder Brüchen, wie dies bei einem elektrostatischen System der Fall ist. In der Praxis fällt das Magnetfeld von einem breiten Maximum um die Mittellinie ab, so daß die auf den Leiter wirkende Kraft sich verringert.

Die Membran wird zweckmäßigerweise aus einem Kunststoff wie Mylar oder einem ähnlichen Hochtemperatur-Polymerfilmmaterial in einer Dicke von 5 bis 10μ hergestellt. Die Leiter werden auf-

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geklebt und können aus Aluminium einerSchichtdicke von etwa 1Ομ sein.

Es sei noch erwähnt, daß die Beziehungen zwischen den bereits erwähnten Größen h, w.,, w„, f.. und f_ durch das Vorhandensein der Blenden, üblicherweise in günstigerer Richtung, modifiziert werden= Die erwähnten Werte von 10 cm für w„ und 1,5 cm für W₁ zeigen, daß die Blenden zusammen etwa 85% der gesamten Membranfläche einnehmen. Es empfiehlt sich, die abgeblendeten Membranbereiche im Bereich von etwa 52% bis 91%, vorzugsweise 80 bis 85%, zu wählen.

Die Länge h hat einen großen Einfluß auf die untere Grenzfrequenz f..; die Blenden können die endgültige Grenzfrequenz von 500 Hz auf 255 Hz verändern (siehe Pig, 4, wo eine typische Beziehung zwischen f<, und der Öffnungslänge h wiedergegeben ist) . Die Länge beeinflußt zunächst auch die Empfindlichkeit gegen= über geringen Anregungsleistungen, jedoch mit zunehmender Länge (beispielsweise über 300 mm gemäß Fig. 5) erhält man nur sehr wenig mehr Empfindlichkeit, und die Empfindlichkeitskennlinie wird fast horizontale Für das Empfindlichkeitsverhalten ist eine geeignete Länge von etwa 300 mm zu empfehlen»

Die Verhältnisse hinsichtlich der Breite der öffnung liegen bezüglich der unteren Grenzfrequenz nicht so klar, da diese von sehr vielen anderen Einflußgrößen abhängt« Bei einem typischen, mit Blenden versehenen Lautsprecher, begrenzt die Breite defini-= tiv die endgültige untere Grenzfrequenz (die bei Optimierung aller anderen Faktoren erreichbar ist).

Es ist darauf hinzuweisen, daß die allgemeinen Vorteile bekannter elektrodynamischer Lautsprecher nach wie vor auch auf die Erfindung zutreffen. Die Membransteifheit und ihre Gradienten, die Masse pro Flächeneinheit und die Dämpfung muß häufig sorgfältig berücksichtigt werden, gegebenenfalls durch Versuche, ehe sich die optimalen Übertragungseigenschaften, die Strah-

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lungsdiagramme, eine Freiheit von Frequenzeinbrüchen usw. in vollem Maße realisieren lassen.

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Claims (5)

1. Patentansprüche

   (ij/Elektrodynamischer Lautsprecher, dessen Membran auf mindestens einer Seite mit einem elektrischen Leiter ausgebildet ist, von dem gegenseitig beabstandete Teile sich parallel zueinander über den größeren Teil der Länge der Membran erstrecken, ferner mit einer im Abstand von der Membran vorgesehenen Magnetanordnung, deren Elemente parallel zu den Leiterteilen entlang von Bereichen verlaufen, die den Abständen zwischen den Leiterteilen entgegengesetzt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterteile (9) sich nur über eine mittlere Fläche der Membran (1) erstrecken und daß ein Paar Blenden (11,12) auf einer Seite der Membran (1) vorgesehen sind und j ede Blende (11,12) einen Flächenbereich der Membran (1) überdeckt, der sich von einer Längskante der Membran zu ihrem Mittelbereich erstreckt.
2. 2) Lautsprecher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf der anderen Seite der Membran (1) ein zweites Paar Blenden (13,14) angeordnet ist, deren jede sich von einer Längskante der

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   ORIGINAL INSPECTED

   Membran zu ihrem mittleren Bereich erstreckt.
3. 3) Lautsprecher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Blenden (11,12,13,14) sich bis zu der Magnetanordnung (7,8) erstrecken.
4. 4) Lautsprecher nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Blendenpaar (11,12;13,14) mit einer Seite der Membran (1) in Berührung steht.
5. 5) Lautsprecher nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Blenden zwischen 52% und 90% der Membranfläche überdecken.

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