FI115598B

FI115598B - Akustinen elementti

Info

Publication number: FI115598B
Application number: FI980926A
Authority: FI
Inventors: Kari Johannes Kirjavainen
Original assignee: Panphonics Oy
Priority date: 1998-04-27
Filing date: 1998-04-27
Publication date: 2005-05-31
Also published as: JP2002513263A; DE69926487D1; FI980926A0; EP1060637A1; JP4527282B2; FI980926A; AU3712099A; CA2330377A1; EP1060637B1; NO20005393D0; ATE301382T1; DE69926487T2; NO20005393L; WO1999056498A1

Description

115598

AKUSTINEN ELEMENTTI

Keksinnön kohteena on akustinen elementti, johon kuuluu valinnainen määrä kerroksia, johon kerrokseen kuuluu ainakin yksi huokoinen kerros, joka on 5 joko sähköäjohtavaa tai ainakin toiselta pinnaltaan pinnoitettu sähköä johtavaksi ja ainakin yksi kalvo, joka on varattu tai jossa on ainakin yksi sähköäjohtava pinta, jolloin ainakin yksi huokoinen kerros ja kalvo on sovitettu koskettamaan toisiaan olennaisesti ainoastaan tukipisteiden kohdalta siten, että huokoisen kerroksen ja kalvon välissä on ilmaväli.

1 o WO-julkaisussa 97/31506 on esitetty levymäinen akustinen elementti, jossa on liikkumattomat staattorilevyt, joiden väliin tiettyihin tukipisteisiin on kiinnitetty kalvo. Staattorilevyn ja kalvon väliin jää pieniä ilmarakoja, jotka mahdollistavat kalvon 3 liikkeen. Staattorilevyissäja kalvossa on sähköäjohtavat pinnat, jolloin syöttämällä kyseisiin pintoihin sähkösignaalit, saadaan kalvo 3 liikku-15 maan ja siten tuottamaan ääntä. Kyseinen rakenne on yksinkertainen ja sen taajuusvaste on erittäin tasainen, mutta sen käyttöalue on jossain määrin rajoitettuja liikkuvalla kalvolla aikaansaatavan ilmanpaineen saamiseksi riittävän suureksi tarvitaan kohtuullisen suuri sähkökenttä.

Tämän keksinnön tarkoituksena on saada aikaan akustinen elementti, 20 jossa edellä mainittuja epäkohtia pystytään välttämään.

Keksinnön mukaiselle akustiselle elementille on tunnusomaista se, että : elementissä on ainakin kaksi päällekkäistä ilmaväliä, jossa huokoinen kerros ja . · : kalvo on sovitettu koskettamaan toisiaan olennaisesti ainoastaan tukipisteiden . · | kohdalta, ja että tukipisteet on ainakin kahdessa eri ilmavälissä sovitettu olennai- * · . 25 sesti eri kohdille siten, että akustinen elementti olennaisesti kokonaisuudessaan ; voi muuttaa paksuuttaan.

’;' Keksinnön olennainen ajatus on, että akustiseen elementtiin kuuluu va linnainen määrä kerroksia, johon kerrokseen kuuluu huokoinen kerros ja siitä matkan päähän sijoitettu kalvo, jolloin huokoinen kerros ja kalvo koskettavat toi-,. · 30 siinsa olennaisesti ainoastaan tiettyjen tukipisteiden kohdalta. Huokoinen kerros on joko sähköäjohtava tai ainakin toiselta pinnaltaan pinnoitettu sähköä- , johtavaksi ja kalvo on varattu tai siinä on ainakin yksi sähköäjohtava pinta. Tu- * · ’..! kipisteet, joissa kalvo ja huokoinen kerros koskettavat toisiaan, on sovitettu siten, *:1 ’ että rakenne kokonaisuudessaan voi muuttaa paksuuttaan. Erään edullisen so- ., 35 vellutusmuodon ajatuksena on, että akustinen elementti on päällystetty joustaval- : : la pintamateriaalilla. Vielä erään toisen edullisen sovellutusmuodon ajatuksena on, että akustinen elementti on hermeettisesti suljettu.

115598 2

Keksinnön etuna on, että akustisen elementin rakenne on erittäin kevyt, luja, halpa ja helppo valmistaa. Edelleen koska huokoisen kerroksen ja kalvon välinen rako on varsin pieni, saadaan aikaan kohtuullisen suuri paine varsin pienellä ohjausjännitteellä. Huokoisen materiaalin ansiosta ele-5 mentissä on suuri ilmatilavuus, jolloin kalvon syrjäyttämä ilma pääsee siirtymään huokoisen kerroksen sisään, jolloin vastapaine pienenee ja liike kasvaa. Ilman siirtyminen huokoisen kerroksen sisään aiheuttaa häviöitä, jolloin rakenne ei resonoi voimakkaasti. Edelleen elementin materiaali vaimentaa ääntä myös passiivisesti virtaushäviöistä johtuen. Päällystämällä elementti 10 joustavalla pintamateriaalilla voidaan elementtiä soveltaa useassa eri kohteessa, esimerkiksi lattiassa. Tekemällä elementistä hermeettisesti suljettu voidaan sitä käyttää myös varsin kosteissa olosuhteissa.

Keksintöä selitetään tarkemmin oheisissa piirustuksissa, joissa kuvio 1 esittää kaavamaisesti erästä keksinnön mukaista akustista 15 elementtiä sivultapäin katsottuna ja poikkileikattuna, kuvio 2 esittää kaavamaisesti erästä toista keksinnön mukaista akustista elementtiä sivultapäin katsottuna ja poikkileikattuna ja kuvio 3 esittää kaavamaisesti erästä kolmatta keksinnön mukaista sovellutusta.

20 Kuviossa 1 on esitetty akustinen elementti 1, johon kuuluu useita huokoisia kerroksia 2. Huokoisen kerroksen paksuus on tyypillisesti esimer-·[ kiksi noin 0,5 -1 mm ja siitä on esimerkiksi noin 70 % ilmaa. Huokoinen ker- ' : ros 2 voidaan valmistaa esimerkiksi selluloosasta, lasikuidusta, mineraalikui dusta tai metallikuidusta tai sintraamalla muovi- tai metallipulverista. Huokoi-:: 25 nen kerros 2 on joko sähköäjohtava tai sitten se on ainakin toiselta pinnal- : ; taan pinnoitettu sähköäjohtavaksi esimerkiksi metalloimalla pinta siten, että V : siihen muodostuu metallointi 3. Huokoisen kerroksen 2 metalloinnin 3 pak suus on tyypillisesti noin 40 nanometriä. Huokoisen kerroksen 2 pinnalla ole-; va metallointi 3 on myös huokoinen, jotta ilma pääsee kulkemaan sekä huo- : ': 30 koisen kerroksen 2 että metalloinnin 3 läpi.

• Λ Akustiseen elementtiin 1 kuuluu edelleen kalvo 4, joka on sovitettu huokoisten kerrosten 2 väliin. Huokoinen kerros 2 ja kalvo 4 koskettavat toisi-; ’ aan ainoastaan tukipisteiden 5 kohdalta, jolloin huokoisen kerroksen 2 ja kalvon 4 väliin muodostuu ilmaväli 6. Kalvon 4 paksuus on tyypillisesti noin 5 : 35 mikrometriä ja ilmavälin 6 leveys taas vastaavasti tyypillisesti noin 10 mikro- metriä.

115598 3

Kuvion 1 suoritusmuodossa on kaksi kalvoa 4 asetettu päällekkäin ja niiden väliin on sovitettu tyypillisesti paksuudeltaan noin 40 nanometrin paksuinen metallointi 7. Kalvot 4 ovat varattuja. Kalvot 4 voivat olla valmistettu esimerkiksi polypropeenista, polymetyylipenteenistä tai syklisestä olefii-5 nikopolymeeristä. Edelleen kalvoihin 4 voi olla muodostettuna litteitä kuplia sisältävä kuplarakenne.

Huokoisia kerroksia 2 ja kalvoja 4 on asetettu päällekkäin siten, että akustisessa elementissä 1 on kerrosrakenne kuvion 1 esittämällä tavalla. Ohjauselektrodit A on yhdistetty kalvojen 4 välissä oleviin metallointeihin 7 10 ja maadoituselektrodit B taas vastaavasti on yhdistetty huokoisissa kerroksissa 2 oleviin metallointeihin 3. Tukipisteet 5 on sovitettu siten, että kalvoa 4 ei olennaisesti miltään kohdilta tueta huokoisiin kerroksiin 2 täsmälleen samalta kohdalta vastakkaisilta puolilta. Tällöin syötettäessä signaali oh-jauselektrodiin A kalvo 4 muuttaa muotoaan. Koska kalvo 4 on tukipisteen 5 15 kohdalta kiinnitetty huokoiseen kerrokseen 2, liikkuu myös huokoinen kerros 2 ja koska tukipisteet 5 ovat akustisessa elementissä eri kohdilla, pystyy olennaisesti koko akustinen elementti 1 muuttamaan paksuuttaan.

Akustisen elementin 1 aikaansaama paine P saadaan kaavasta 20 ε * U2 P = 1/2 *_ : s2 , _! . ’ missä s on ilmavälin 6 leveys, 25 U on ilmavälin 6 yli vaikuttava jännite ja ; : ε on väliaineen dielektrisyysvakio.

Koska ilmavälin 6 leveys s on kyseisessä elementissä erittäin pieni, ei jännitteen U tarvitse olla kovinkaan suuri kohtuullisen suuren paineen P : 30 aikaansaamiseksi.

Kuviossa 2 on esitetty akustinen elementti, jossa eri kerroksia on sijoitettu useita päällekkäin. Kuvion 2 suoritusmuodossa kalvo 4 on kiinnitetty toiselta pinnaltaan olennaisesti kokonaisuudessaan kiinni ensimmäiseen huokoiseen kerrokseen 2. Toisen puolen osalta kalvo 4 on kiinni toisessa 35 huokoisessa kerroksessa 2 olennaisesti ainoastaan tukipisteiden 5 kohdalta, jolloin toisen huokoisen kerroksen 2 ja kalvon 4 välissä on ilmaväli 6. Kalvo 4 liikkuessaan liikuttaa myös sitä huokoista kerrosta 2, johon se on kiinnitetty- 115598 4 nä. Peräkkäisissä ilmaväleissä 6 eivät tukipisteet 5 ole samoilla kohdilla, jolloin akustinen elementti 1 pystyy kokonaisuudessaan muuttamaan paksuuttaan.

Tukipisteet 5 voidaan muodostaa huokoisiin levyihin 2 esimerkiksi 5 puristamalla niihin nystyjä sopiviin kohtiin. Tukipisteiden 5 paikat voivat vaihdella symmetrisesti tai satunnaisesti, mutta olennaista on, että peräkkäisissä kerroksissa tukipisteet 5 ovat olennaisesti eri kohdilla.

Voimakas sähkökenttä aiheuttaa rakenteen elastisen vakion alenemisen eli paineen vaikutuksesta rakenteen paksuus muuttuu oleellisesti 10 enemmän kuin ilman sähkökenttää eli rakenteen vaimennuskyky oleellisesti kasvaa ja resonanssitaajuus alenee. Rakenne voi toimia vaimentavasti, kun ohjauselektrodit A ja maadoitetut elektrodit B kytketään yhteen, jolloin ei tarvita mitään ohjauselektroniikkaa. Ohjauselektrodien A ja maadoitettujen elektrodien B välille voidaan kytkeä myös staattinen esijännite, jolla raken-15 teen elastista vakiota voidaan säätää halutulla tavalla. Haluttaessa voidaan kalvoihin 4 sovittaa myös pysyvä elektreettivaraus. Esijännite voidaan syöttää suuren vastuksen kautta tai esimerkiksi ohjauselektrodilla A voi olla suuri resistanssi.

Kuviossa 3 on esitetty akustinen elementti 1, joka on pinnoitettu 20 joustavalla pintamateriaalilla 8. Pintamateriaalin 8 paksuus voi olla esimerkiksi 0,1 - 10 mm. Pintamateriaali 8 voi olla esimerkiksi kumimatto. Tällöin [ akustista elementtiä 1 voidaan käyttää esimerkiksi lattiapinnoitteena. Akusti- sen elementin reunoihin voidaan sovittaa suljinosat 9 siten, että elementistä '· * 1 saadaan hermeettisesti suljettu. Myös ohjauselektroniikka 10 voidaan so- 25 vittaa akustisen elementin sisälle. Hermeettisesti suljettua elementtiä 1 voi-v.: daan käyttää myös erittäin vaativissa kosteissa olosuhteissa. Edelleen ky- :, ·’ seinen akustinen elementti 1 voidaan muodostaa esimerkiksi muotoonpuris- tetuksi rakennelevyksi, jolloin sitä voidaan käyttää rakennuselementtinä. Pintamateriaali 8 voi olla olennaisesti ilmaa läpäisemätöntä, koska koko : : 30 akustinen elementti 1 voi muuttaa muotoaan ja siten tuottaa ääntä, vaikka se , ei päästä ilmaa lävitseen. Kyseistä akustista elementtiä voidaan käyttää esi- ; merkiksi äänenvaimennussovellutuksissa esimerkiksi auton lattiamattoina.

Pintamateriaalin 8 massaa lisäämällä voidaan akustisen elementin 1 vai-..' mennuskykyä lisätä ja resonanssitaajuutta edelleen alentaa.

: : 35 Piirustukset ja niihin liittyvä selitys on tarkoitettu vain havainnollista maan keksinnön ajatusta. Yksityiskohdiltaan keksintö voi vaihdella patentti- 115598 5 vaatimusten puitteissa. Akustisessa elementissä 1 voi kerroksia olla valinnainen määrä. Äänen tuottamiseksi tarvitaan ainakin yksi huokoinen kerros 2 ja ainakin yksi kalvo 4. Kuvion 1 suoritusmuodossa voidaan kahden varatun kalvon 4 ja niiden välisen metalloinnin 7 sijaan käyttää polaarisesti varattua 5 kalvoa, jolloin ohjausjännite syötetään huokoisten kerrosten 2 pintojen välille. Kalvon 4 ei tarvitse olla varattu silloin, jos ainakin sen pinta on sähköäjohtava. Keksinnön mukaista akustista elementtiä voidaan käyttää useassa äänentoiston ja aktiivisen melunvaimennuksen sovellutuksessa. Akustista elementtiä tai joitain sen kerroksista voidaan käyttää esimerkiksi sensoreina 10 akustisissa järjestelmissä ja samalla toisia kerroksia voidaan käyttää aktu-aattoreina.

» • * *

Claims

115598 !

1. Akustinen elementti, johon kuuluu valinnainen määrä kerroksia, 5 johon kerrokseen kuuluu ainakin yksi huokoinen kerros (2), joka on joko säh- köäjohtavaa tai ainakin toiselta pinnaltaan pinnoitettu sähköäjohtavaksi ja ai- i nakin yksi kalvo (4), joka on varattu tai jossa on ainakin yksi sähköäjohtava pinta, jolloin ainakin yksi huokoinen kerros (2) ja kalvo (4) on sovitettu koskettamaan toisiaan olennaisesti ainoastaan tukipisteiden (5) kohdalta siten, että 10 huokoisen kerroksen (2) ja kalvon (4) välissä on ilmaväli (6), tunnettu siitä, että elementissä (1) on ainakin kaksi päällekkäistä ilmaväliä (6), jossa huokoinen kerros (2) ja kalvo (4) on sovitettu koskettamaan toisiaan olennaisesti ainoastaan tukipisteiden (5) kohdalta, ja että tukipisteet (5) on ainakin kahdessa eri ilmavälissa (6) sovitettu olennaisesti en kohdille siten, että akustinen ele-15 mentti (1) olennaisesti kokonaisuudessaan voi muuttaa paksuuttaan.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen akustinen elementti, tunnettu siitä, että elementtiin (1) kuuluu ainakin kaksi huokoista kerrosta (2), joiden väliin on sovitettu ainakin yksi kalvo (4) siten, että kalvon (4) kummallakin puolella on Ilmaväli (6) ja tukipisteet (5) on kalvon (4) vastakkaisilla puolilla sovitettu 20 olennaisesti en kohdille.

3. Patenttivaatimuksen 1 mukainen akustinen elementti, tunnettu : : : siitä, että elementtiin (1) kuuluu ainakin kaksi huokoista kerrosta (2), joiden vä- : ·,· liin on sovitettu ainakin yksi kalvo (4) siten, että kalvo (4) on kiinnitetty toiseen ; huokoiseen kerrokseen (2) ja toisen huokoisen kerroksen (2) ja kalvon (4) vä- * .*··, 25 Iissä on ilmaväli (6), ja että akustinen elementti (1) on kerrosrakenne, jossa on ainakin kaksi päällekkäistä ilmaväliä (6), jolloin peräkkäisissä ilmaväleissä (6) » t I ;.! olevat tukipisteet (5) ovat olennaisesti eri kohdilla.

’·’ 4. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen akustinen ele mentti, tunnettu siitä, että akustinen elementti (1) on pinnoitettu joustaval-: ! 30 la pintamateriaalilla (8).

,,,: 5. Patenttivaatimuksen 4 mukainen akustinen elementti, tunnettu v. siitä, että akustinen elementti (1) on hermeettisesti suljettu. » · 7 115598