DE4213991A1 - Lautsprecher-membrane - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Membrane für ein elektro­ akustisches Wandlersystem, auf die eine Schwingspule über einen Schwingspulen-Trägerring einwirkt, die in der Ruhelage eine im wesentlichen senkrecht zur Achse der Schwingspule liegende ebene Fläche bildet und in ihrem Zentrum ortsfest gehalten ist, bestehend aus einem sandwichartig ein gummiähnliches Füllmaterial einschließenden blattförmigem Material.

Eine derartige Membrane ist beispielsweise beschrie­ ben in der DE-PS 22 36 374. Hier wird angeführt, daß im Gegensatz zu der damaligen Meinung die Lautspre­ chermembrane keine hohe Steifigkeit besitzen müsse, um als Ganzes mit der Schwingspule hin- und herbewegt zu werden. Es komme vielmehr darauf an, daß in der Membrane Biegeschwingungen erzwungen werden können be­ ziehungsweise Biegungsabläufe, die sich zu einem ge­ wünschten Impuls-Verlauf vor der Membrane in Schall­ druck aufsummieren. Dies gelinge dadurch, daß die Mem­ brane aus einem in der Einspannebene elastischen, in der Richtung der Anregung hingegen nahezu unelastisch biegbarem, keine Rückstellelastizität aufweisenden Ma­ terial sei. Die Membrane von Lautsprechern mit ebener Membranscheibe, die damit lediglich eine Widerstands­ hemmung aufweisen, müssen daher anderen Bedingungen genügen als die zuvor bekannten Kolbenschwinger. So werden beispielsweise in den DE-PS 31 23 098 und 35 21 845 Lautsprecher mit ebener Membrane und konzen­ trischer Biegewellenausbreitung beschrieben. Derarti­ ge Wandler sind allerdings zu breitbandiger Schall­ abstrahlung nicht zu gebrauchen, da bei freier Biege­ wellenausbreitung im Membranmaterial nicht alle Teile der Membrane konphas schwingen. Möglich ist aller­ dings deren Einsatz, wie die DE-PS 36 02 351 fest­ stellt, zur Wiedergabe diskreter Frequenzen, bei­ spielsweise beim Echoloteinsatz.

In der DE-PS 38 31 376 ist eine Lautsprechermembrane mit variabler Biegesteifigkeit beschrieben, die über eine Dickenänderung des Membranmaterials erreicht wird. Diese Membrane arbeitet jedoch als Kolbenstrah­ ler, wobei sich bei höheren Frequenzen die äußeren Teile - bedingt durch die höhere Masse - vom Schwin­ gungsprozeß abkoppeln und daher nur noch die in Zen­ trumsnähe der Membrane gelegenen Membranteile zur Schallabstrahlung beitragen. Ähnlich die Membrane nach der DE-PS 20 41 409, bei der der zentrale, als Konus gestaltete Teil, zur verstärkten Abstrahlung hoher Frequenzen dient.

Im Grunde genommen stellen diese Wandlersysteme alle eine Zwischenlösung aus der DE-PS 22 36 374 und einem herkömmlichen Kolbenstrahler dar. Der außerhalb der Schwingspule gelegene Membranteil kann als Aufhängung beziehungsweise Bewegungselement mit relativ geringer Biegesteifigkeit des zentral gelegenen kolbenförmig schwingenden Membranteils aufgefaßt werden. Auf diese Weise kann ein Wandler mit bei niedriger Frequenz lie­ gender Eigenresonanz und kleinen Abmessungen konstru­ iert werden, der auf Kosten des Wirkungsgrades eine hohe Bandbreite und ein geringes Bündelungsmaß aber auch eine geringe Dynamikfähigkeit erreicht. Ein ge­ wisser Vorteil dieser Anordnungen ist die meßbare Linearität im Amplitudenfrequenzgang bei der herkömm­ lichen Meßmethode mit stationären Signalen beziehungs­ weise unkorreliertem Rauschen: Durch die kleine schallabstrahlende Fläche entfallen die Kammfilter­ effekte, die sich als Einbrüche im Amplitudenfrequenz­ gang zeigen. Dieser Effekt beruht jedoch weniger auf den Eigenschaften des Wandlers selbst als auf einem Meßverfahren, das aus im Verhältnis zu den Abmessun­ gen des Wandlers relativ kurzer Meßentfernung die Signale, die durch die große räumliche Ausdehnung des Wandlers mit unterschiedlichen Laufzeiten am Meßort eintreffen und dadurch in der Phase nicht korreliert sind, in korreliertem Verhältnis darstellt. Daher zeigen sich bei diesem Verfahren Amplituden- und Phasenfehler, die nicht auf den Wandler, sondern auf das zu deren Bestimmung ungeeignete Meßverfahren zu­ rückzuführen sind.

Eine geeignete Meßmethode liegt in der Systemanregung mit impuls- oder rechteckförmigen Signalen und deren Fourier-Analyse zur Darstellung der Übertragungs­ funktion, wobei der Meßort der Druckdarstellung un­ mittelbar am Membranzentrum des Meßobjektes, das orts­ fest befestigt sein muß, liegt oder in sehr großer Entfernung zum Meßobjekt, wobei Reflektionen von den Begrenzungsflächen des Raumes durch ein geeignetes Verfahren auszublenden sind. Der Betrag des Meßabstan­ des zum Meßobjekt muß in jedem Falle entweder sehr groß oder sehr klein im Verhältnis zum Betrag der Wel­ lenlänge des vom Meßobjekt abgestrahlten Signales sein.

Es hat sich gezeigt, daß der Gewinn der nutzbaren Dynamik durch eine vergrößerte schallabstrahlende Fläche dem scheinbaren Vorteil der Amplituden- und Phasentreue bei einer üblichen Meßmethodik, die den Druckanteil in üblicher Hörentfernung der Darstellung der gesamten Übertragungsfunktion zugrunde legt, vor­ zuziehen ist.

Ein wesentlicher Vorteil gegenüber diesem Stand der Technik hinsichtlich der Kriterien des Amplituden­ frequenzganges sowohl im freien als auch im diffusen Feld, des Phasenfrequenzganges, der linearen und nichtlinearen Verzerrungen sowie des Dynamikumfanges des wiedergegebenen Signales ergibt sich dadurch, daß das eingangs erwähnte, blattförmige Material Kunst­ stoffasermatten sind.

Nicht mehr also wie bisher soll die Membrane in der Membranebene elastisch, sondern sie soll möglichst steif sein und sie soll, wiederum im Gegensatz zu den bekannten Membranen, in der Richtung der Anregung elastisch biegbar sein und eine hohe Rückstellelasti­ zität aufweisen. Diese Forderungen werden durch die das Füllmaterial einschließenden Kunststoffasermatten erfüllt, die im Gegensatz zu der bisher angewendeten Folie schon als einzelne Faser äußerst steif sind. Das zur Membrane zusammengefügte Material weist damit eine sehr hohe Biegesteifigkeit und transversale Druckfestigkeit auf, wodurch sich die oben angeführ­ ten gewünschten Werte ergeben. Dies insbesondere dann, wenn die Kunststoffasern aus Carbonfasern be­ stehen, die gegenüber anderen Kunststoffasern eine extrem hohe Steifigkeit besitzen. Diese gewünschte Steifigkeit wird maximiert dadurch, daß das Gewebe der Kunststoffasermatten in Leinwandbindung ausge­ führt ist und insbesondere dann, wenn die Schuß- und Kettfasern der beiden einschließenden Kunststoffaser­ matten jeweils im Winkel von 45° zueinander angeord­ net sind.

Für die Herstellung zweckmäßig ist, daß die Kunst­ stoffasermatten mit Harzpaste getränkte Prepregs sind.

Die nach der Erfindung gewünschte Steifigkeit in der Membranebene beziehungsweise auch die erwünschte hohe Rückstellelastizität wird bei der Verwendung der Kunststoffasermatten auch dann erreicht, wenn die Mem­ brane nicht sandwichartig aufgebaut ist, wenn also das gummiähnliche Füllmaterial nur einseitig auf der Kunststoffmatte aufgebracht ist. Selbstverständlich besteht auch die Möglichkeit, ein mehrstufiges Sand­ wich aufzubauen mit beidseitigen Außenschichten aus Kunststoffasermatten und einer oder mehreren Kunst­ stoffasermatten innerhalb des Füllmaterials.

Die Steifigkeit der erfindungsgemäßen Membrane läßt nun auch eine Beeinflussung der Schallabstrahlung durch eine Variation der radialen Dicke der Membrane zu. So können, je nach Einsatzzweck, verschieden hohe Frequenzen beeinflußt, also verstärkt oder gedämpft werden, je nach der radialen Lage der durch die Mas­ senverteilung der Membrane bedingten Eigenschwingung. Bevorzugt nach der Erfindung wird hierbei eine Mem­ brane, deren Dicke vom Mittelpunkt aus relativ zu einer Mittenebene gleichbleibend zunimmt, wobei die Dickenzunahme vom Mittelpunkt zum Außenrand zwischen 1:4 und 1:10, entsprechend einem Winkel der Außen­ flächen zur Mittenebene zwischen 0,2° und 2°, liegen soll. Hierbei können die beiden Kunststoffasermatten im Mittelpunkt der Membrane unmittelbar aufeinander liegen. Diese erfindungsgemäße Maßnahme vermeidet nicht nur Taumelbewegungen des antreibenden Schwing­ spulen-Trägerrings, sondern unterdrückt auch uner­ wünschte Transversal-Biegewellen innerhalb des Mem­ branmaterials durch die Zunahme der Biegesteifigkeit und der Masse des zwischen den blattförmigen Materia­ lien eingeschlossenen Dämpfungsmaterials. Außerdem werden die in der Membrane auftretenden Moden höherer Ordnung (Eigenresonanzen) durch die sich linear ändernde Dicke und damit auch der sich ändernden Masse des Dämpfungsmaterials mindestens auf einen Be­ reich von 2 Oktaven verteilt. Die Dickenzunahme muß selbstverständlich nicht linear, sondern kann auch exponentiell oder hyperbolisch verlaufen. Dies kann noch dadurch unterstützt werden, daß der Schwingspu­ len-Trägerring (Radius r) zentral in einem Abstand von r√3 vom Membran-Außendurchmesser (D=2R) an der Membrane angreift (r√3+r=R). Bei unrunder Membra­ ne soll dieser theoretische Membrandurchmesser dem eingeschriebenen Kreis der Membrane entsprechen.

Schließlich wird aus Gründen der inneren Dämpfung wie auch der einfachen Herstellbarkeit der Membrane vorge­ schlagen, daß das gummiähnliche Füllmaterial ein elastischer Kunststoff auf Polyurethanbasis mit einer Shore-Härte A zwischen 80 und 100 Härteeinheiten ist.

Auf der Zeichnung nach Fig. 1 ist schematisch eine Membrane (1) nach der Erfindung dargestellt. Gebildet wird diese Membrane (1) durch den sandwichartigen Ein­ schluß eines elastischen Füllmaterials (2) zwischen zwei blattförmigen Carbonfasermatten (3, 4), deren Carbonfasern in einem gegenseitigen Winkel von 45° zueinander liegen. Die blattförmigen Carbonfasermat­ ten (3, 4) erstrecken sich vom Mittelpunkt M relativ zu einer Mittenebene (5), nach außen in einem Winkel von 2° ansteigend (überhöht gezeichnet). Im Mittel­ punkt M ist die Membrane (1), wie durch einen Bolzen (6) angedeutet, befestigt. An den Außenrändern liegt die Membrane auf Absorbern (7) auf. Zentrisch zur Mem­ brane (1) greift an ihr ein Schwingspulen-Trägerring an. Die Angriffsstelle liegt bei r vom Außenrand der Membrane, wobei "r" der Radius dieses Schwingspu­ len-Trägerrings (8) ist.

Fig. 2 zeigt einige Membranformen.

Claims (12)

1. Membrane für ein elektroakustisches Wandler­ system, auf die eine Schwingspule über einen Schwing­ spulen-Trägerring einwirkt, die in der Ruhelage eine im wesentlichen senkrecht zur Achse der Schwingspule liegende ebene Fläche bildet und in ihrem Zentrum ortsfest gehalten ist, bestehend aus einem sandwich­ artig ein gummiähnliches Füllmaterial einschließenden blattförmigen Material, dadurch gekennzeichnet, daß das blattförmige Material (3, 4) Kunststoffaser­ matten sind.

2. Membrane nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kunststoffasermatten Carbonfasermatten sind.

3. Membrane nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Gewebe der Kunststoffasermatten in Leinwand­ bindung ausgeführt ist.

4. Membrane nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schuß- und Kettfasern der beiden einschließen­ den Kunststoffasermatten jeweils im Winkel von 45° zueinander angeordnet sind.

5. Membrane nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kunststoffasermatten mit Harzpaste getränkte Prepregs sind.

6. Membrane nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die radiale Dicke der Membrane relativ zu einer Mittenebene (5) unterschiedlich ist.

7. Membrane nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Membrane (1) vom Mittelpunkt (M) aus relativ zu einer Mittenebene (5) gleichbleibend zunimmt.

8. Membrane nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Dickenzunahme vom Mittelpunkt (M) zum Außen­ rand zwischen 1:4 und 1:10 entsprechend einem Winkel der Außenflächen zur Mittenebene (5) zwischen 0,2° und 2° liegt.

9. Membrane nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß im Mittelpunkt (M) die beiden Kunststoffaser­ matten (2) unmittelbar aufeinander liegen.

10. Membrane nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwingspulen-Trägerring (8) (Radius r) zen­ tral in einem Abstand von r√3 vom Membran-Außendurch­ messer (D=2R) an der Membrane (1) angreift (r√3+r= R).

11. Membrane nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Membrandurchmesser (D) bei unrunder Membrane dem eingeschriebenen Kreis entspricht.

12. Membrane nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das gummiähnliche Füllmaterial (2) ein elasti­ scher Kunststoff auf Polyurethanbasis mit einer Shore-Härte A zwischen 80 und 100 Härteeinheiten ist.