DE3508102C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Kalottenlautsprecher mit einer kalottenförmigen Membran mit einem Mittelteil, bei dem der Mittelteil mit wenigstens einem Ausschnitt zur Veränderung der Steifigkeit und damit der Resonanzbedin­ gungen der Membran versehen ist.

Ein Kalottenlautsprecher besteht allgemein aus einem Magneten, einem Mittelpol, einer Frontplatte, einer Fußplat­ te, einer Membran, einer auf einem Körper befestigten Schwingspule, die mit dem äußeren Rand der Membran ver­ bunden ist und in einem Magnetfeld-durchsetzten Spalt zwischen Mittelpol und der Frontplatte angeordnet ist und aus einem Tragring zur Aufhängung der Membran. Die Schwingspule wird mit Wechselstrom im Audio-Frequenzbe­ reich gespeist.

Die Membran besteht üblicherweise aus einem leichten und sehr steifen Material wie Dur-Aluminium, um die Partial- Schwingungsfrequenz zu maximieren und einen guten Fre­ quenzgang zu erzeugen. Ein weiteres Beispiel eines be­ kannten Kalottenlautsprechers, der sogenannte Weich-Ka­ lottenlautsprecher, verwendet für die Membran ein wei­ ches Material, das große innere Verluste aufweist.

Von den oben beschriebenen bekannten Beispielen von Laut­ sprechern weist die Membran aus einem sehr steifen Mate­ rial einen geringen mechanischen inneren Verlust im Mem­ branmaterial auf. Deshalb kommt es in einem Frequenzbe­ reich oberhalb dem des Kolbenschwingungsbereiches zur Interferenz zwischen Schwingungsenergie, die von den Rändern der Membran geführt wird, und der von der Mitte der Membran zurücklaufenden Schwingungsenergie. Hier­ durch kommt es zu einer auf Anti-Resonanz zurückzuführen­ den Schwingungsknotenlinie in der Nähe der äußeren Rän­ der der Membran und zu einer Spitze in einem höheren Re­ sonanzfrequenzbereich. Dies beeinträchtigt den Frequenz­ gang und das Impulsverhalten bis zu einer hörbaren Quali­ tätseinbuße.

Beim Weichkalottenlautsprecher ist zwar die Membran we­ gen ihrer großen inneren Verluste relativ frei von Reso­ nanz und Anti-Resonanz, doch führt die große Masse der Membran und die Schwierigkeit bei der Weiterleitung von Schwingungsenergie zu einem sehr schlechten Wirkungsgrad der Energieumwandlung.

Aus DE-OS 24 28 064 ist ein Kalottenlautsprecher der ein­ gangs beschriebenen Art bekannt mit einer Membran, bei welcher ein Dämpfungsmaterial in den Weg der Wellenfront durch den Membrankörper so eingebracht wird, daß der Energiebetrag progressiv reduziert wird, wobei dieses durch mit Dämpfungsmaterial gefüllte kleine Löcher in der Membran realisiert wird. Ein derartiger Lautsprecher weist den Nachteil auf, daß der Wirkungsgrad sehr nied­ rig wird.

In Anbetracht der aufgeführten Nachteile des Standes der Technik stellt sich daher die Aufgabe, einen Kalotten­ lautsprecher mit einem guten Frequenzgang und einem hohen Wirkungsgrad bei der Energieumwandlung zu schaf­ fen, speziell ein verbessertes Schwingungssystem, das wirkungsvoll Anti-Resonanzen und Resonanzen vermeidet und zugleich einfach und kostengünstig herzustellen ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Kalottenlautsprecher, dessen Ausschnitt oder Ausschnitte entweder die Form von Sehnenabschnitten am Rand des Mittelteils haben, wobei die Sehnenabschnittshöhe d das 0,01 bis 0,15fach des Mittelteilradius R beträgt, oder bei denen der oder die Ausschnitt(e) die Form von gera­ den Schlitzen haben, die entlang einer Sehne geführt sind, wobei die Schlitzlänge W das 0,03 bis 0,5fache des Umfanges des Mittelteils beträgt.

Die Anordnung der Ausschnitte zur teil- bzw. abschnitts­ weisen Veränderung der Steifigkeit der Membran ergeben stellenweise Veränderungen der Steifigkeit der äußeren Ränder der Membran gegenüber der Steifigkeit des Mittel­ teils der Membran, der die Hauptquelle der Schallabstrah­ lung ist. Deshalb werden je merkliche Anti-Resonanz und Resonanz im Bereich der Anti-Resonanzfrequenz und im Be­ reich der hohen Resonanzfrequenz, wie sie beim Stand der Technik auftreten, durch diese Erfindung geglättet. Hin­ zu kommt, daß Partialschwingungen höherer Ordnung im Mit­ telbereich der Membran durch Randteile vermindert wer­ den, womit durch Partialschwingungen verursachte Ein­ brüche und Spitzen im Frequenzgang vermieden werden und ein flacher Frequenzgang erreicht wird. Gleichzeitig führt die Vermeidung von Resonanzen zu einem sehr guten Impulsverhalten, wodurch die Wiedergabequalität deutlich verbessert wird.

Zu diesen Verbesserungen tragen auch Maßnahmen bei, die in den Unteransprüchen enthalten sind und die in der nachfolgenden Beschreibung erläutert werden.

Im folgenden werden bevorzugte Ausführungen der Erfin­ dung anhand einer Zeichnung näher erläutert, wobei weite­ re Vorteile dieser Erfindung deutlich werden. Es zeigt im einzelnen

Fig. 1 eine Seitenansicht im Vertikalschnitt der wesent­ lichen Teile eines Lautsprechers in einer ersten Ausführungsform,

Fig. 2 eine Draufsicht auf eine Membran;

Fig. 3 eine Vorderansicht, teilweise im Schnitt, der Membran gem. Fig. 2;

Fig. 4 eine Seitenansicht, teilweise im Schnitt, auf die Membran in Fig. 2;

Fig. 5 ein Diagramm mit dem Frequenzgang des Lautspre­ chers in der ersten Ausführungsform;

Fig. 6 eine perspektivische Ansicht eines Kalottenlaut­ sprechers in einer zweiten Ausführungsform;

Fig. 7 ein Diagramm mit dem Frequenzgang des Lautspre­ chers der zweiten Ausführungsform;

Fig. 8 eine Vorderansicht, teilweise im Schnitt, einer Membran eines Kalottenlautsprechers in einer dritten Ausführungsform;

Fig. 9 eine Vorderansicht, teilweise im Schnitt, einer Abwandlung der in Fig. 8 dargestellten Membran;

Fig. 10 eine Vorderansicht, teilweise im Schnitt, einer Membran entsprechend einer vierten Ausführungs­ form;

Fig. 11 eine Draufsicht auf eine Membran entsprechend einer fünften Ausführungsform;

Fig. 12 eine Vorderansicht, teilweise im Schnitt, der in Fig. 11 gezeigten Membran;

Fig. 13 eine Seitenansicht, teilweise im Schnitt, der in Fig. 11 gezeigten Membran;

Fig. 14 ein Diagramm mit dem Frequenzgang des Kalotten­ lautsprechers entsprechend der fünften Ausfüh­ rungsform;

Fig. 15 eine perspektivische Ansicht einer Membran ent­ sprechend einer sechsten Ausführungsform der Er­ findung;

Fig. 16 ein Diagramm mit dem Frequenzgang des Kalotten­ lautsprechers entsprechend der sechsten Ausfüh­ rungsform;

Fig. 17 eine Vorderansicht, teilweise im Schnitt, einer Membran entsprechend einer siebten Ausführungs­ form;

Fig. 18 eine Vorderansicht, teilweise im Schnitt, einer Abwandlung der in Fig. 17 gezeigten Membran;

Fig. 19 eine Vorderansicht, teilweise im Schnitt, einer Membran entsprechend einer achten Ausführungs­ form der Erfindung.

Gleiche Bezugszeichen bezeichnen in den unterschiedli­ chen Figuren gleiche Bauteile und gleiche oder sich über­ schneidende Teile der Konstruktion werden nicht wieder­ holt beschrieben.

Entsprechend den Fig. 1-3 besteht die Grundkonstruk­ tion eines Kalottenlautsprechers der ersten Ausführungs­ form aus einem Magneten 11, einem Mittelpol 12, einer Frontplatte 13, einer Fußplatte 14, einer Membran 15, einer mit dem äußeren Rand der Membran 15 verbundenen Schwingspule 1, die in einem magnetfelddurchsetzten Spalt 31 zwischen dem Mittelpol 12 und der Frontplatte 13 angeordnet ist, einem die Schwingspule 1 tragenden Schwingspulenkörper 1 a und aus einem die Membran 15 un­ terstützenden Tragring 5. Die Schwingspule 1 wird mit Wechselstrom im Audio-Frequenzbereich gespeist, und ver­ setzt die Membran 15 in Schwingungen, wodurch Schallwel­ len erzeugt werden.

Die Membran 15 weist einen Mittelteil 21 auf, der aus einem harten Material mit geringem Gewicht und hoher Steifigkeit besteht, wie Duraluminium, einer Titanlegie­ rung oder ähnlichem Metall-Material, oder aus mit sehr steifen Fasern oder Filmen versteiften Kunststoffen so­ wie Randteile 22, die aus einem weichen Material, wie Gewebe, Papier, mit einem viskoselastischen Material be­ schichteten Gewebe oder Weichkunststoff bestehen.

Dazu weist der Mittelteil 21 Ausschnitte 23 an beiden Rändern auf, die als Mittel zur Veränderung der Stei­ figkeit der Membran 15 dienen. Obwohl in der Fig. 2 zwei Ausschnitte 23 dargestellt sind, kann auch ein einzelner Ausschnitt 23 den genannten Zweck erfüllen.

Die Randteile 22 bestehen jeweils aus einem Streifen oder Blatt, dessen Form im wesentlichen mit der Kuppel­ form des Mittelteils 21 der Membran 15 übereinstimmt, bzw. diese fortsetzt. Die Randteile 22 sind so mit dem Mittelteil 21 der Membran 15 verbunden, daß sie die Aus­ schnitte 23 des Mittelteils 21 verschließen. Außerdem sind die Randteile 22 mit ihren äußeren Rändern mit der Schwingspule 1 verbunden. Somit sind die Randteile 22 zwischen dem Mittelteil 21 der Membran 15 und der Schwingspule 1 angeordnet.

Nach Versuchsergebnissen hat der Ausschnitt 23 vorzugs­ weise eine Länge A in der Größenordnung von 3 bis 33% des Gesamtumfanges des Mittelteils 21, eine Sehnen-Ab­ schnittshöhe d, die das 0,01 bis 0,15fache des Radius R und eine Höhe H in der Größenordnung von 10 bis 80% der gesamten Höhe des Mittelteils 21 besitzt. Die Ausschnit­ te 23, von denen wenigstens einer vorhanden ist, haben die Form von Sehnenabschnitten.

Die Randteile 22 können aus einem im Vergleich zum Trag­ ring 5 unterschiedlichen oder gleichen Material beste­ hen. Sie können auch einstückig mit dem Tragring 5 sein.

Fig. 5 zeigt ein Diagramm mit dem Frequenzgang (Aus­ gangsschalldruck über Frequenz) des Kalottenlautspre­ chers entsprechend dieser Ausführungsform im Vergleich mit dem Frequenzgang eines bekannten Lautsprechers, wo­ bei ersterer mit einer durchgehenden Linie dargestellt ist und letzterer durch eine gestrichelte Linie. Der Frequenzgang des bekannten Lautsprechers zeigt einen Einbruch infolge von Anti-Resonanz bei etwa 20 kHz und eine Spitze infolge von Hochfrequenz-Resonanz bei etwa 30 kHz. Demgegenüber zeigt der vorliegende Kalottenlaut­ sprecher weder eine Spitze noch einen Einbruch bei die­ sen Frequenzen. Es ist offensichtlich, daß das Schwin­ ungssystem entsprechend dieser Erfindung wirksam Reso­ nanzen und Anti-Resonanzen verhindert.

Weiterhin besteht bei diesem Kalottenlautsprecher die Membran 15, abgesehen von den Randteilen 22 aus einem harten Material, das leichter ist als bekannte weiche kalottenförmige Membranen und hat deshalb einen höheren Wirkungsgrad bei der Energieumwandlung.

Eine zweite Ausführungsform ist in Fig. 6 dargestellt. Hier besteht das Schwingungssystem des Kalottenlautspre­ chers aus einer Membran 15, die aus einem harten Mate­ rial besteht, das leicht und doch sehr steif ist wie Dur­ aluminium, eine Titanlegierung oder ähnliches Metall-Ma­ terial, oder aus Kunststoffen oder aus mit sehr steifen Füllstoffen, in Form von Fasern, Blättchen oder Pulver verstärkten Kunststoffen. Die Membran 15 weist zwei rand­ seitige Ausschnitte 23 auf. In der Fig. 6 sind zwei Aus­ schnitte dargestellt; allerdings kann ein einzelner Aus­ schnitt im wesentlichen denselben Zweck erfüllen.

Der Sinn der Ausschnitte 23 ist es, die Steifigkeit der Membran 15 zu verändern, um in der Nachbarschaft der Rän­ der der Membran 15 auftretende ausgeprägte Schwingungs­ knotenlinien zu vermeiden. Nach Versuchsergebnissen soll­ ten die Dimensionen der Ausschnitte 23 vorzugsweise im wesentlichen die gleichen sein wie in der ersten Ausfüh­ rungsform. Im Unterschied zur ersten Ausführung sind blättchenartige Randteile 22 zur Abdeckung der Abschnit­ te 23 in der zweiten Ausführung nicht vorgesehen.

Fig. 7 zeigt den Frequenzgang des Kalottenlautsprechers der zweiten Ausführungsform in einer durchgehenden Linie im Vergleich zum Frequenzgang eines bekannten Lautspre­ chers (punktierte Linie). Wie aus dem Diagramm zu erse­ hen ist, zeigt der Frequenzgang des bekannten Lautspre­ chers einen Einbruch infolge von Anti-Resonanz bei etwa 20 kHz und eine Spitze infolge von Hochfrequenz-Resonanz bei etwa 30 kHz. Demgegenüber zeigt der Kalottenlautspre­ cher nach der beschriebenen Ausführungsform weder eine Spitze noch einen Einbruch in den betreffenden Frequen­ zen. Es ist offensichtlich, daß das Schwingungssystem in dieser Ausführungsform merkliche Resonanzen und Anti-Re­ sonanzen wirksam vermeidet.

In den Fig. 8 und 9 ist die Membran 15 mit Verstär­ kungsrippen 23 a an den Kanten der Ausschnitte 23 verse­ hen. Diese Rippen verhindern, daß die Enden der Aus­ schnitte 23 als freie Enden übermäßig schwingen. Die Membran 15 hat somit einen ebenso guten Frequenzgang wie im vorhergehenden Ausführungsbeispiel und gleichzeitig den Vorteil, daß die übermäßigen Schwingungen der freien Enden an den Ausschnitten vermieden werden, wodurch die Klangqualität verbessert wird.

Die in Fig. 10 dargestellte Ausführungsform weist visko­ elastische Abdeckungen 7 auf, die die Ausschnitte 23 der Membran 15 verschließen und den inneren Rand des Tragrin­ ges 5 oder den oberen Teil des Schwingspulenkörpers 1 a überragen.

Der Kalottenlautsprecher in dieser Ausführungsform hat damit den Vorteil, daß durch die Verhinderung des Aus­ trittes von hinter der Membran 15 vorhandener Luft und durch interne Verluste im Material der viskoelastischen Abdeckungen 7 die Klangqualität weiter verbessert wird. Die viskoelastischen Abdeckungen 7 können als separate Körper hergestellt sein; sie können aber auch aus einem weichen Material, wie mit einem viskoelastischen Mate­ rial durchsetzte oder überzogene Gewebe, bestehen und einstückig mit dem Tragring 5 sein. Die Membran 15 und der Tragring 5 können auch einstückig und aus demselben Material hergestellt sein.

Fig. 11 bis 13 zeigen ein weiteres Ausführungsbei­ spiel. Hier besteht der Kalottenlautsprecher aus einer Membran 5, die aus einem harten Material geringen Ge­ wichts und hoher Steifigkeit besteht, wie Duraluminium, eine Titanlegierung oder ähnlichem Metall-Material, oder aus mit sehr steifen Fasern oder Filmen verstärktem Kunststoff. Weiterhin sind Randteile 22 vorhanden, die aus einem weichen Material, wie Gewebe, Papier, mit ei­ nem viskoelastischen Material beschichtetem Gewebe aus Weichkunststoff bestehen. Die Membran 15 weist wenig­ stens einen Ausschnitte 23 als Sehnenabschnitt auf. Wei­ che Randteile 22 verschließen die Ausschnitte 23, wo­ durch Luftdichtigkeit zwischen dem Inneren und dem Äuße­ ren der Membran 15 erreicht wird.

Der Kalottenlautsprecher weist weiterhin einen die Schwingspule 1 tragenden Schwingspulenkörper 1 a auf. Die Ränder der Membran 15 sind in den Bereichen, in denen keine Ausschnitte 23 vorhanden sind, mit dem oberen Rand des Schwingspulenkörpers 1 a verbunden.

Nach Versuchsergebnissen haben die Ausschnitte 23 vor­ zugsweise eine Länge A in der Größenordnung von 3-33% des Gesamtumfanges der Membran 15, eine Sehnenabschnitts­ höhe d des 0,01 bis 0,15fachen des Radius und eine Höhe H in der Größenordnung von 10-80% der Gesamthöhe der Membran 15.

Die Randteile 22 können aus einem im Vergleich zum Trag­ ring 5 unterschiedlichen oder gleichen Material beste­ hen. Sie können mit dem Tragring 5 einstückig sein.

Fig. 14 zeigt den Frequenzgang des Kalottenlautspre­ chers entsprechend der Ausführungsform gemäß Fig. 11 bis 13 im Vergleich mit dem eines bekannten Kalottenlaut­ sprechers, wobei der Frequenzgang des ersten durch eine durchgehende Linie und der Frequenzgang des letzteren durch eine punktierte Linie dargestellt ist. Der Fre­ quenzgang des bekannten Lautsprechers zeigt einen Ein­ bruch infolge von Anti-Resonanz bei etwa 20 kHz und eine Spitze infolge von Hochfrequenz-Resonanz im Bereich von etwa 30 kHz. Dagegen zeigt der Kalottenlautsprecher nach vorstehender Ausführungsform weder eine Spitze noch ei­ nen Einbruch bei diesen Frequenzen. Zusätzlich sorgen die inneren Verluste in dem weichen Material der Rand­ teile 22 für einen flachen, ebenen Frequenzgang und eine hervorragende Impulstreue, wodurch die Wiedergabequali­ tät verbessert wird.

In Fig. 15 ist eine weitere Ausführungsform darge­ stellt, bei der die Membran 15 aus Titan, das in die ge­ wünschte kalottenartige Form gebracht worden ist, be­ steht. Die Ausschnitte haben die Form von Schlitzen 23′, die entlang einer Sehne der Kalotte geführt sind. Für das Material der Membran 15 kann anstelle des Titans auch eine andere leichte, sehr steife, harte Substanz ge­ wählt werden, wie z. B. andere Metalle, Kunstharze oder mit hochsteifen Füllstoffen in Form von Pulver, Fasern, Blättchen verstärktem Kunstharz.

Die Schlitze 23′ haben eine Größe, die wenigstens einer Schwingungsknotenlinie im hochfrequenten Resonanzbereich entspricht. Nach Versuchsergebnissen sollte jeder Schlitz vorzugsweise eine Länge W der Größenordnung des 0,03 bis 0,5fachen des Gesamtumfanges der Membran 15 haben. Seine Sehnenabschnittshöhe d kann bis zu 50% des Membranradius betragen. Die Anzahl der Schlitze kann zwischen 1 und 5 liegen, um gute Resultate zu erzielen; das dargestellte Beispiel weist zwei Schlitze 23′ auf.

Die Schwingspule 1 ist um den Schwingspulenkörper 1 a gewickelt und versorgt die Membran 15 mit Schwingungs­ energie. Der Tragring 5 dient zur Unterstützung des Schwingungssystems.

Das Diagramm gemäß Fig. 16 ist ähnlich zu deuten wie die bereits vorbeschriebenen Frequenz-Diagramme. Die durchgehende Linie stellt den Frequenzgang des Kalotten­ lautsprechers in dieser Ausführungsform dar. Der für die Erstellung des Diagramms verwendete Lautsprecher hat ei­ ne Membran mit einem Durchmesser von 25 mm und Schlitze 23′ mit W = 10 mm und d = 2 mm. Die punktierte Linie stellt den Frequenzgang eines bekannten Kalottenlautspre­ chers dar, dessen Membran den gleichen Durchmesser wie die Membran des erfindungsgemäßen Lautsprechers auf­ weist. Man erkennt den Ausgleich der Ausschläge im Be­ reich von 20 und 30 kHz.

In den Fig. 17 und 18 ist eine Membran 15 darge­ stellt, die Verstärkungswippen 23 a aufweist, die an den der Mitte der Membran 15 zugewandten Kanten der Schlitze 23′ angeordnet sind. Solche Verstärkungsrippen 23 a kön­ nen auch an den anderen Kanten, bzw. an beiden Kanten der Schlitze 23′ angeordnet sein. Bei einer Membran 15 aus Kunstharz oder aus verstärktem Kunstharz können die Verstärkungsrippen 23 a der Schlitze 23′ einstückig mit der Membran 15 durch Verdickung des Membranmaterials erzeugt werden.

Die an den Kanten der Schlitze 23′ vorgesehenen Verstär­ kungsrippen 23 a verhindern, daß Teile der Membran 15 im Bereich der Kanten der Schlitze 23′ frei enden und mit hoher Frequenz vibrieren, wodurch der Frequenzgang des Lautsprechers ungünstig beeinflußt wird.

Das Ausführungsbeispiel der Fig. 19 weist eine Membran 15 mit visko-elastischen Abdeckungen 7 auf, die auf der Membran 15 angebracht sind und darin angeordnete Schlit­ ze 23′ verschließen, um ein Ausströmen von hinter der Membran 15 vorhandener Luft zu verhindern. Diese Kon­ struktion hat den Vorteil, daß hochfrequente Partial­ schwingungen der Membran verringert und der Frequenzgang und die Impulstreue weiter verbessert werden. Zusätzlich kann eine aus einem weichen Material bestehende Ab­ deckung 7 innere Ränder bzw. Randteile aufweisen, die sich teilweise über die bzw. entlang der Membran 15 er­ strecken und die Schlitze 23′ verschließen.

Claims (4)

1. Kalottenlautsprecher mit einer kalottenförmigen Membran mit einem Mittelteil, bei dem der Mittelteil mit wenigstens einem Ausschnitt zur Veränderung der Steifigkeit und damit der Resonanzbedingungen der Membran versehen ist, dadurch gekennzeichnet,
daß der oder die Ausschnitte (23) die Form von Sehnenab­ schnitten am Rand des Mittelteils (21) haben, wobei die Sehnenabschnittshöhe d das 0,01 bis 0,15fache des Mittelteilradius R beträgt,
oder daß der oder die Ausschnitte (23) die Form von geraden Schlitzen haben, die entlang einer Sehne ge­ führt sind, wobei die Schlitzlänge W das 0,03 bis 0,5fache des Umfanges des Mittelteils (21) beträgt.

2. Kalottenlautsprecher nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Randteil (22), der aus einem weichen Mate­ rial besteht und auf die Membran (15) aufgebracht ist und den Ausschnitt (23) wenigstens teilweise ver­ schließt, wobei der Randteil (22) als Verbindung der Membran (15) mit einem Schwingspulenkörper (1 a) wirkt.

3. Kalottenlautsprecher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (15) an der Kante des Ausschnittes (23) eine Verstärkungsrippe (23 a) aufweist.

4. Kalottenlautsprecher nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der oder die Ausschnitte (23) mit einer visko-elastischen Abdeckung (7) versehen sind.