DE60100886T2

DE60100886T2 - Wandler, insbesondere zum einsatz in akustischen vorrichtungen

Info

Publication number: DE60100886T2
Application number: DE60100886T
Authority: DE
Inventors: Neil Whittlesford HARRIS; Graham Woodbridge BANK; Martin Colloms
Original assignee: New Transducers Ltd
Current assignee: NVF Tech Ltd
Priority date: 2000-01-24
Filing date: 2001-01-22
Publication date: 2004-09-09
Anticipated expiration: 2021-01-23
Also published as: US7149318B2; CZ20022498A3; IL150500A0; EP1250827B1; ES2208608T3; AR027269A1; ATE251375T1; BR0107714A; HUP0204160A2; KR20020070509A; UY26553A1; TW511391B; WO2001054450A3; EP1250827A2; WO2001054450A2; NZ519383A; KR100777888B1; AU2863101A; US20070086616A1; HUP0204160A3

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft Wandler, Aktuatoren oder Anreger, insbesondere aber nicht ausschließlich Wandler zur Verwendung in akustischen Einrichtungen, z. B. Lautsprechern und Mikrofonen, und geht von der US-A-4,414,436 aus.
Stand der Technik
Eine Reihe von Wandler-, Anreger- oder Aktuatoreinrichtungen wurde entwickelt, um eine Kraft auf eine Anordnung, z. B. einen akustischen Abstrahler eines Lautsprechers, aufzubringen. Es gibt verschiedene Arten dieser Wandlereinrichtungen, z. B. mit beweglicher Spule, mit beweglichem Magneten sowie piezoelektrische oder magnetostriktive Typen. Typischerweise verlieren elektrodynamische Lautsprecher, die Spulen- oder Magnetwandler verwenden, 99% ihrer Eingangsenergie aufgrund von Wärmeentwicklung, wohingegen ein piezoelektrischer Wandler nur 1% verlieren kann. Daher sind piezoelektrische Wandler aufgrund ihrer hohen Effizienz beliebt.
Mit piezoelektrischen Wandlern sind verschiedene Probleme verbunden, beispielsweise sind sie inhärent sehr steif, beispielsweise vergleichbar mit Messingfolie und daher schwierig an einen akustischen Abstrahler, insbesondere an Luft anzupassen. Eine Erhöhung der Steifigkeit des Wandlers verschiebt die Grundresonanzmode zu einer höheren Frequenz. Somit kann davon ausgegangen werden, dass derartige piezoelektrische Wandler zwei Betriebsbereiche aufweisen. Der erste Betriebsbereich liegt unter der Grundresonanz des Wandlers. Dies ist der "steifigkeitsgesteuerte" Bereich, in dem die Geschwindigkeit mit der Frequenz ansteigt und das Ausgabeverhalten üblicherweise einer Entzerrung bedarf. Dies führt zu einem Verlust der verfügbaren Effizienz. Der zweite Bereich ist der jenseits des Steifigkeitsbereichs liegende Resonanzbereich, der aufgrund der ziemlich starken Resonanzen allgemein vermieden wird.
Darüber hinaus besteht die allgemeine Lehre darin, Resonanzen in einem Wandler zu unterdrücken und somit werden piezoelektrische Wandler allgemein nur im Frequenzbereich unter oder bei der Grundresonanz der Wandler eingesetzt. Wo piezoelektrische Wandler oberhalb der Grundresonanzfrequenz eingesetzt werden, ist es erforderlich, eine Dämpfung vorzusehen, um Resonanzspitzen zu unterdrücken.
Die mit piezoelektrischen Wandlern verbundenen Probleme gelten in ähnlicher Weise für Wandler, die andere "intelligente" Materialien, das heißt magnetostriktive und elektrostriktive Materialien sowie Elektretmaterialien umfassen.
Aus der EP 0 993 231 A der Shinsei Corporation ist die Bereitstellung einer schallerzeugenden Einrichtung bekannt, bei der eine Antriebseinrichtung einer akustischen Schwingungsplatte zwischen einem Lautsprecherrahmen und der akustischen Schwingungsplatte angeordnet ist. Die Antriebseinrichtung umfasst ein Paar piezoelektrischer Schwingungsplatten, die einander über einen bestimmten Abstand zugewandt sind. Die äußeren Ränder der piezoelektrischen Schwingungsplatten sind durch ein ringförmiges Abstandselement miteinander verbunden. Wenn ein Antriebssignal auf die piezoelektrischen Schwingungsplatten aufgebracht wird, führen die piezoelektrischen Schwingungsplatten wiederholt eine Biegebewegung aus, wobei sich ihre Mittelpunkte abwechselnd in entgegengesetzte Richtungen biegen. Zu diesem Zeitpunkt sind die Biegerichtungen der piezoelektrischen Schwingungsplatten immer entgegengesetzt zueinander.
Aus der EP 0 881 856 A der Shinsei Corporation ist die Bereitstellung einer akustischen piezoelektrischen Schwingungseinrichtung und eines diese verwendenden Lautsprechers bekannt, wobei ein schwingungssteuerndes Teil aus Elastomermaterial am Rand einer piezoelektrischen Schwingungsplatte befestigt ist. Das schwingungssteuernde Teil ist so geformt, dass ein Abstand zwischen einer an einem Mittelpunkt der piezoelektrischen Schwingungsplatte vorbeiführenden Achse, die senkrecht zu einer einen Mittelpunkt der piezoelektrischen Schwingungsplatte mit dem Schwerpunkt des schwingungssteuernden Teils verbindenden geraden Linie ist, und einer Massenschwerpunktslinie des schwingungssteuernden Teils entlang der Achse variiert, oder dass eine Masse eines jeden Abschnitts des schwingungssteuernden Teils, das durch eine Mehrzahl von geraden Linien unterteilt ist, welche parallel zu einer geraden Linie verlaufen, die einen Mittelpunkt der piezoelektrischen Schwingungsplatte mit dem Schwerpunkt des schwingungssteuernden Teils verbindet, entlang einer Achse variiert, die senkrecht zu der geraden Linie ist und durch den Mittelpunkt der piezoelektrischen Schwingungsplatte verläuft.
Die US 4,593,160 der Murata Manufacturing Co. Limited offenbart einen piezoelektrischen Lautsprecher mit einer piezoelektrischen Schwingungseinrichtung, um in einer Biegemode zu schwingen, die in ihrer in Längsrichtung mittleren Position durch ein Stützelement abgestützt ist, wobei erste und zweite Abschnitte der piezoelektrischen Schwingungseinrichtung auf beiden Seiten des Stützelements jeweils freitragend gehalten sind. Die piezoelektrische Schwingungseinrichtung ist an nahe ihrer beiden Enden angeordneten Abschnitten durch als Drähte ausgebildete Kopplungselemente mit einer Membran verbunden, wodurch eine Biegeschwingung der piezoelektrischen Schwingungseinrichtung auf die Membran übertragen wird, um dadurch die Membran anzutreiben. Die Position des Stützelements bezüglich der piezoelektrischen Schwingungseinrichtung ist so gewählt, dass die Resonanzfrequenz des ersten Abschnitts kleiner ist als die entsprechende Resonanzfrequenz des zweiten Abschnitts, und die primäre Resonanzfrequenz (f1) des zweiten Abschnitts ist so gewählt, dass sie im Wesentlichen beim Mittelwert der ersten Resonanzfrequenz (F1) und der zweiten Resonanzfrequenz (F2) des ersten Abschnitts in logarithmischen Koordinaten liegt.
Die US 4,401,857 der Sanyo Electric Co. Limited offenbart einen piezoelektrischen Konuslautsprecher mit einer Mehrfachstruktur, bei der eine Mehrzahl piezoelektrischer Elemente und einzeln damit verbundener Lautsprechermembranen koaxial oder multiaxial angeordnet sind. Ein Dämpfungselement ist zwischen einer und einer weiteren Membran angeordnet, so dass jedes Element von den Schwingungen des anderen Elements isoliert ist.
Die US 4,481,663 der Altec Corporation offenbart ein Netzwerk zur Anpassung einer elektrischen Quelle von Audiosignalen an eine piezokeramische Antriebseinrichtung für einen Hochfrequenzlautsprecher. Das Netzwerk besteht aus allen Elementen eines Bandpassfilternetzwerks, wobei jedoch die parallele Kombination eines Induktors und eines Kondensators in der Ausgangsstufe des Filters durch einen Autotransformator oder einen Autoinduktor ersetzt ist, der die Eingangsimpedanz des piezokeramischen Wandlers in eine äquivalente zu einem Widerstand parallele Kapazität umwandelt, die gemeinsam mit der Induktivität des Autotransformators den Lastwiderstand für den Filter liefert und den aus der Ausgangsstufe des Bandpassnetzwerks entfernten Kondensator und Induktor ersetzt. Ein zusätzlicher Parallelwiderstand kann über den Ausgang des Autotransformators angeordnet werden, um am Eingang des Autotransformators den gewünschten wirksamen Lastwiderstand zu erhalten.
Die britische Patentanmeldung GB 2,166,022 A von Sawafuji offenbart einen piezoelektrischen Lautsprecher mit einer Mehrzahl von piezoelektrischen Schwingungselementen, von denen jedes eine piezoelektrische Schwingungsplatte und ein mittels einer viskoelastischen Schicht nahe ihres Schwerpunkts damit verbundenes Gewicht umfasst, und die zum Abgeben der Vibrationskraft an ihrem äußeren Rand kon struiert sind, die an ihren Umfangsenden durch Verbindungseinrichtungen miteinander verbunden sind, wobei eines der Elemente an seinen Umfangsrand unmittelbar mit einem akustischen Abstrahler vom Konustyp verbunden ist, um an diesen eine Vibrationskraft hauptsächlich in einem Hochfrequenzbereich abzugeben, und die benachbarten verbleibenden Elemente eine Vibrationskraft erzeugen, die dazu eingerichtet ist, zur Anregung von Mittel- und Niedrigfrequenzbereichen des akustischen Abstrahlers vom Konustyp zu dienen.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen verbesserten Wandler bereitzustellen.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird ein elektromechanischer Kraftwandler bereitgestellt, beispielsweise zum Aufbringen einer Kraft, der einen akustischen Abstrahler zur Erzeugung einer akustischen Ausgabe anregt, wobei der Wandler einen vorgesehenen Betriebsfrequenzbereich aufweist und ein Resonanzelement mit einer Frequenzmodenverteilung in dem Betriebsfrequenzbereich sowie eine Kopplungseinrichtung an dem Resonanzelement aufweist, um den Wandler an einem Ort zu befestigen, auf den die Kraft aufgebracht werden soll. Der Wandler kann somit als ein bewusst modaler Wandler betrachtet werden. Die Kopplungseinrichtung kann an dem Resonanzelement an einer Position angebracht sein, die für die Kopplung modaler Aktivität des Resonanzelements an den Ort günstig ist.
Das Resonanzelement kann passiv sein und durch eine Verbindungseinrichtung an ein aktives Wandlerelement gekoppelt sein, das eine bewegliche Spule, ein beweglicher Magnet, eine piezoelektrische Einrichtung, eine magnetostriktive Einrichtung oder eine Elektreteinrichtung sein kann. Die Verbindungseinrichtung kann an dem Resonanzelement an einer Stelle angebracht sein, die zur Verbesserung der modalen Aktivität in dem Resonanzelement günstig ist. Das passive Resonanzelement kann als nahezu verlustarme mechanische Widerstandslast auf das aktive Element wirken und kann die Energieübertragung und die mechanische Anpassung des aktiven Elements an eine Membran verbessern, auf die Kraft aufgebracht werden soll. Somit kann das passive Resonanzelement prinzipiell als Kurzzeitresonanzspeicher wirken. Das passive Resonanzelement kann niedrige natürliche Resonanzfrequenzen aufweisen, so dass sein modales Verhalten in dem Bereich, in dem es seine Last- und Anpassungswirkung für das aktive Element ausübt, ausreichend dicht ist. Eine Wirkung der gebildeten engen Kopplung eines aktiven Elements an ein derartiges Resonanzelement be steht darin, die von dem Wandler erzeugte Kraft gleichmäßiger über den Frequenzbereich zu verteilen. Dies wird durch eine Überkreuzkopplung und Steuerung extremer Q-Werte erreicht und das Ergebnis ist ein gleichmäßigeres Frequenzverhalten, das potentiell besser ist als bei einfachen Piezoeinrichtungen.
Alternativ dazu kann das Resonanzelement aktiv sein und kann eine piezoelektrische Einrichtung, ein magnetostriktive Einrichtung oder eine Elektreteinrichtung sein. Das piezoelektrische aktive Element kann, wie z. B. in dem US-Patent 5,632,841 beschrieben, vorgespannt sein oder kann elektrisch vorgespannt oder vormagnetisiert sein.
Das aktive Element kann ein bimorphes Element, ein bimorphes Element mit einer zentralen Platte oder einem Substrat oder ein unimorphes Element sein. Das aktive Element kann an einer Rückenplatte oder einer Unterlegscheibe befestigt sein, die ein dünnes Metallblech sein und eine ähnliche Steifigkeit haben kann wie das aktive Element. Das Rückenblech ist vorzugsweise größer als das aktive Element. Das Rückenblech kann einen Durchmesser oder eine Breite haben, die zwei-, drei- oder viermal größer ist als ein Durchmesser oder eine Breite des aktiven Elements. Die Parameter der Rückenplatte können zur Verbesserung der modalen Dichte des Wandlers angepasst werden. Die Parameter der Rückenplatte und die Parameter des aktiven Elements können zur Verbesserung der modalen Dichte in aufeinander abgestimmter Weise angepasst werden.
Das Resonanzelement kann perforiert sein, um keinen unerwünschten Schall abzustrahlen. Alternativ kann das Resonanzelement eine akustische Öffnung aufweisen, die klein ist, um ihre akustische Abstrahlung zu dämpfen. Das Resonanzelement kann somit akustisch im Wesentlichen inaktiv sein. Alternativ kann das Resonanzelement zur Wirkung der Anordnung beitragen.
Die Größe der Kopplungseinrichtung kann klein sein, das heißt sie kann vergleichbar mit der Wellenlänge der Wellen in dem Betriebsfrequenzbereich sein. Dies kann ihre aktustische Kopplung verbessern. Dies kann auch die Wirkung der Öffnung bei höheren Frequenzen, die mögliche Abnahme der Kopplung bei hoher Frequenz oder aus der Fläche der Kopplung resultierende Biegewellen vermindern. Alternativ kann die Fläche des Resonanzelements so gewählt werden, dass sie selektiv die Kopplung bei höherer Frequenz begrenzt, um z. B. eine Filterwirkung zu erzielen.
Die Parameter, wie z. B. das Seitenverhältnis, die Biegesteifigkeitsisotropie, die Dickenisotropie und die Geometrie des Resonanzelements können so gewählt sein, dass die Modenverteilung in dem Resonanzelement in dem Betriebsfrequenzbereich verbessert wird. Eine Analyse, wie z. B. eine Computersimulation unter Verwendung von FEA oder eine Modellierung kann zur Auswahl der Parameter eingesetzt werden.
Die Verteilung kann verbessert werden, indem gewährleistet wird, dass eine erste Mode des aktiven Elements nahe der niedrigsten interessierenden Betriebsfrequenz liegt. Die Verteilung kann auch verbessert werden, indem eine zufriedenstellende, z. B. eine hohe Modendichte in dem Betriebsfrequenzbereich gewährleistet wird. Die Modendichte reicht vorzugsweise aus, das aktive Element eine über die Frequenz im Wesentlichen konstante wirksame Durchschnittskraft bereitzustellen zu lassen. Eine gute Energieübertragung kann zur einer vorteilhaften Glättung modaler Resonanzen führen.
Im Gegensatz dazu nimmt die Abgabeleistung von aus dem Stand der Technik bekannten Wandlern, die intelligente Materialien umfassen und die für den Betrieb unterhalb der Grundresonanz von aus dem Stand der Technik bekannten Wandlern konstruiert sind, mit abnehmender Frequenz ab. Dies führt dazu, dass die Eingangsspannung erhöht werden muss, um die Ausgabe über die Frequenz konstant zu halten.
Alternativ oder zusätzlich kann die Modenverteilung verbessert werden, indem die Resonanzbiegewellenmoden im Wesentlichen gleichmäßig über die Frequenz verteilt werden, das heißt auf glatte Peaks im Frequenzgang, die durch eine "Bündelung" oder eine Anhäufung der Moden verursacht werden. Ein derartiger Wandler kann somit als Wandler mit verteilten Moden oder als DMT bezeichnet werden.
Durch die Modenverteilung wird die üblicherweise dominante Hochamplituden-Resonanz des Resonanzelements verringert und folglich wird die Spitzenamplitude des Resonanzelements ebenfalls verringert. Somit wird die Gefahr einer Ermüdung des Wandlers verringert und die Lebensdauer sollte deutlich verlängert sein. Darüber hinaus verringert die Möglichkeit eines gleichförmigen Frequenzgangs eines Kolbenwandlers die elektrischen Anforderungen und verringert die Kosten für das angetriebene System.
Der Wandler kann eine Mehrzahl von Resonanzelementen umfassen, von denen jedes eine Modenverteilung aufweist, wobei die Moden der Resonanzelemente so ge wählt sind, dass sie in dem Betriebsfrequenzbereich verschachtelt sind und somit die Modenverteilung in dem Wandler insgesamt verbessern. Die Resonanzelemente weisen vorzugsweise unterschiedliche Eigenfrequenzen auf. Somit können die Parameter, wie z. B. die Last, die Geometrie oder die Biegesteifigkeit der Resonanzelemente unterschiedlich sein.
Die Resonanzelemente können durch eine Verbindungseinrichtung in beliebiger Weise miteinander verbunden sein, beispielsweise an im allgemeinen steifen Abschnitten zwischen den Elementen. Die Resonanzelemente sind vorzugsweise an Kopplungspunkten gekoppelt, die die Modalität des Wandlers verbessern und/oder die Kopplung an dem Ort verbessern, auf den die Kraft aufgebracht werden soll. Die Parameter der Verbindungseinrichtung können so gewählt sein, dass die modale Verteilung in dem Resonanzelement verbessert wird.
Die Resonanzelemente können in einem Stapel angeordnet sein. Die Kopplungspunkte können axial fluchten. Die Resonanzeinrichtungen können passive oder aktive Einrichtungen oder können zur Bildung eines Hybridwandlers Kombinationen aus passiven und aktiven Einrichtungen sein.
Das Resonanzelement kann plattenartig oder aus der Ebene heraus gekrümmt sein. Ein plattenartiges Resonanzelement kann zur Bildung eines Multiresonanzsystems mit Schlitzen oder Unstetigkeiten ausgebildet sein. Das Resonanzelement kann balkenförmig, trapezförmig, hyperelliptisch oder allgemein scheibenförmig ausgebildet sein. Alternativ kann das Resonanzelement rechteckig und um eine entlang der kurzen Symmetrieachse verlaufenden Achse aus der Ebene des Rechtecks heraus gekrümmt sein. Ein derartiger Wandler mit der Geometrie eines einfachen Streifens ist aus dem US-Patent 5,632,841 bekannt.
Das Resonanzelement kann entlang zweier im Wesentlichen zueinander normaler Achsen modal sein, wobei jede Achse eine zugehörige Eigenfrequenz aufweist. Das Verhältnis der zwei Eigenfrequenzen kann zur Erzielung der besten modalen Verteilung auf z. B. 9 : 7 (≈ 1,286 : 1) eingestellt sein.
Der Aufbau eines derartigen modalen Wandlers kann z. B. wie folgt sein: eine flache piezoelektrische Scheibe; eine Kombination aus mindestens zwei oder vorzugsweise mindestens drei flachen piezoelektrischen Scheiben; zwei übereinstimmende piezoelektrische Balken; eine Kombination aus mehreren übereinstimmenden piezoelektrischen Balken; eine gekrümmte piezoelektrische Platte; eine Kombination aus mehre ren gekrümmten piezoelektrischen Platten oder zwei übereinstimmenden gekrümmten piezoelektrischen Balken.
Die Verschachtelung der Modenverteilung in jedem Resonanzelement kann verbessert werden, indem das Frequenzverhältnis der Resonanzelemente, nämlich das Verhältnis der Frequenzen einer jeden Grundresonanz eines jeden Resonanzelements optimiert wird. Somit können die Parameter eines jeden Resonanzelements relativ zueinander verändert werden, um die modale Gesamtverteilung des Wandlers zu verbessern.
Wenn zwei aktive Resonanzelemente in Form von Balken verwendet werden, können die zwei Balken ein Frequenzverhältnis (das heißt ein Eigenfrequenzverhältnis) von 1,27 : 1 aufweisen. Für einen Wandler mit drei Balken kann das Frequenzverhältnis 1,315 : 1,147 : 1 betragen. Für einen Wandler mit zwei Scheiben kann das Frequenzverhältnis 1,1 +/– 0,02 zu 1 betragen, um eine hohe Größenordnung der modalen Dichte zu optimieren, oder kann 3,2 zu 1 betragen, um eine niedrige Größenordnung der modalen Dichte zu optimieren. Für einen Wandler mit drei Scheiben kann das Frequenzverhältnis 3,03 : 1,63 : 1 oder 8,19 : 3,20 : 1 betragen.
Der Wandler kann ein elektromechanischer Initialkraftwandler sein. Der Wandler kann an einen akustischen Abstrahler gekoppelt sein, um den akustischen Abstrahler zur Erzeugung einer akustischen Ausgabe anzuregen.
Somit wird gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung ein Lautsprecher mit einem akustischen Abstrahler und einem oben beschriebenen modalen Wandler bereitgestellt, wobei der Wandler über eine Kopplungseinrichtung an den akustischen Abstrahler gekoppelt ist, um den akustischen Abstrahler zur Erzeugung einer akustischen Ausgabe anzuregen. Die Parameter der Kopplungseinrichtung können so gewählt sein, dass die Modenverteilung in dem Resonanzelement in dem Betriebsfrequenzbereich verbessert wird. Die Kopplungseinrichtung kann spurenartig sein, z. B. eine kontrollierte Klebstoffschicht.
Die Kopplungseinrichtung kann bezüglich des akustischen Abstrahlers asymmetrisch positioniert sein, so dass der Wandler asymmetrisch an den akustischen Abstrahler gekoppelt ist. Die Asymmetrie kann auf verschiedene Arten erzielt werden, beispielsweise indem die Position oder die Ausrichtung des Wandlers auf dem akustischen Abstrahler bezüglich der Symmetrieachsen in dem akustischen Abstrahler oder dem Wandlers angepasst wird.
Die Kopplungseinrichtung kann eine Befestigungslinie bilden. Alternativ kann die Kopplungseinrichtung einen Befestigungspunkt oder einen kleinen lokalen Befestigungsbereich bilden, wobei der Befestigungsbereich im Vergleich zur Größe des Resonanzelements klein ist. Die Kopplungseinrichtung kann die Form eines Stummels aufweisen und einen kleinen Durchmesser, beispielsweise 3 bis 4 mm haben. Die Kopplungseinrichtung kann eine geringe Masse aufweisen.
Die Kopplungseinrichtung kann mehr als einen Kopplungspunkt zwischen dem Resonanzelement und dem akustischen Abstrahler umfassen. Die Kopplungseinrichtung kann eine Kombination aus Befestigungspunkten und/oder Befestigungslinien umfassen. Beispielsweise können zwei Befestigungspunkte oder zwei kleine lokale Befestigungsbereiche verwendet werden, wobei einer in der Nähe des Mittelpunkts und einer am Rand des aktiven Elements angeordnet ist. Dies kann für plattenartige Wandler nützlich sein, die im allgemeinen steif sind und hohe Eigenfrequenzen aufweisen.
Alternativ kann nur ein einziger Kopplungspunkt vorhanden sein. Dies kann im Fall einer Multiresonanzelementanordnung den Vorteil aufweisen, dass die Ausgabe aller Resonanzelemente durch die einzige Kopplungseinrichtung summiert wird, so dass es nicht erforderlich ist, dass die Ausgabe durch die Last, z. B. einen Lautsprecherabstrahler summiert wird. Während eine derartige Summierung in einem Resonanzpaneelabstrahler möglich sein kann, muss dies für eine Kolbenmembran nicht zutreffen.
Die Kopplungseinrichtung kann an einem Schwingungsbauch an dem Resonanzelement angeordnet und so gewählt sein, dass sie eine über die Frequenz konstante Durchschnittskraft zuführt. Die Kopplungseinrichtung kann entfernt vom Mittelpunkt des Resonanzelements positioniert sein.
Die Position und/oder die Ausrichtung der Befestigungslinie kann so gewählt sein, dass die modale Dichte des Resonanzelements optimiert wird. Die Befestigungslinie fällt vorzugsweise nicht mit einer Symmetrielinie des Resonanzelements zusammen. Beispielsweise kann die Befestigungslinie bei einem rechteckigen Resonanzelement von der kurzen Symmetrieachse (oder Mittellinie) des Resonanzelements versetzt sein. Die Befestigungslinie kann eine Ausrichtung aufweisen, die nicht parallel zu einer Symmetrieachse des akustischen Abstrahlers ist.
Die Form des Resonanzelements kann so gewählt sein, dass eine außermittige Befestigungslinie bereitgestellt wird, die im allgemeinen im Massenschwerpunkt des Resonanzelements liegt. Ein Vorteil dieser Ausführungsform besteht darin, dass der Wandler an seinem Massenschwerpunkt befestigt ist und somit kein Trägheitsungleichgewicht auftritt. Dies kann durch ein asymmetrisch geformtes Resonanzelement erreicht werden, das die Form eines Trapezes oder eines Trapezoids aufweisen kann.
Bei einem Wandler mit einem balkenartigen oder einem allgemein rechteckigen Resonanzelement kann sich die Befestigungslinie über die Breite des Resonanzelements erstrecken. Die Fläche des Resonanzelements kann im Vergleich zu der des akustischen Abstrahlers klein sein.
Der Wandler kann zum Antrieb einer beliebigen Anordnung verwendet werden. Somit kann der Lautsprecher über zumindest einen Teil seines Betriebsfrequenzbereichs bewusst kolbenartig sein oder kann ein Biegewellenlautsprecher sein. Die Parameter des akustischen Abstrahlers können so gewählt sein, dass die Modenverteilung in dem Resonanzelement in dem Betriebsfrequenzbereich verbessert wird.
Der Lautsprecher kann ein Resonanzbiegewellenmodenlautsprecher mit einem akustischen Abstrahler und einem Wandler sein, der an dem akustischen Abstrahler befestigt ist, um Resonanzbiegewellenmoden anzuregen. Ein derartiger Lautsprecher ist in der internationalen Patentanmeldung WO 97/09842 und anderen Patentanmeldungen und Veröffentlichungen beschrieben und kann als Lautsprecher mit verteilten Moden bezeichnet werden.
Der akustische Abstrahler kann die Form eines Paneels aufweisen. Das Paneel kann flach und leichtgewichtig sein. Das Material des akustischen Abstrahlers kann anisotrop oder isotrop sein.
Die Eigenschaften des akustischen Abstrahlers können so gewählt sein, dass die Resonanzbiegewellenmoden im Wesentlichen gleichmäßig über die Frequenz verteilt sind, das heißt auf gleichmäßige Peaks im Frequenzgang, die durch eine "Bündelung" oder eine Anhäufung der Moden verursacht werden. Insbesondere können die Eigenschaften des akustischen Abstrahlers so gewählt sein, dass die Resonanzbiegewellenmoden bei einer niedrigen Frequenz im Wesentlichen gleichmäßig über die Frequenz verteilt sind. Die Resonanzbiegewellenmoden bei einer niedrigen Frequenz sind vorzugsweise die Resonanzbiegewellenmoden des akustischen Abstrahlers bei den 10 bis 20 niedrigsten Frequenzen.
Die Position des Wandlers kann so gewählt sein, dass er im Wesentlichen gleichmäßig an die Resonanzbiegewellenmoden in dem akustischen Abstrahler ankoppelt, ins besondere an die Resonanzbiegewellenmoden bei einer niedrigeren Frequenz. Mit anderen Worten, der Wandler kann an einer Position befestigt sein, in der die Anzahl schwingungsaktiver Resonanzschwingungsbäuche in dem akustischen Abstrahler relativ hoch und im Gegensatz dazu die Anzahl der Resonanzschwingungstäler relativ gering ist. Jede derartige Position kann verwendet werden, die vorteilhaftesten Positionen sind jedoch die in der Nähe des Mittelpunkts liegenden Positionen, die zwischen 38% bis 62% der Strecke entlang der Längsachse und der in Richtung der Breite verlaufenden Achse des akustischen Abstrahlers aber außermittig angeordnet sind. Spezifische oder bevorzugte Positionen liegen bei 3/7, 4/9 oder 5/13 der Strecke entlang der Achsen; für die Längsachse und die in Richtung der Breite verlaufende Achse ist ein unterschiedliches Verhältnis zu bevorzugen. Bevorzugt ist 4/9 der Länge, 3/7 der Breite eines isotropen Paneels mit einem Seitenverhältnis von 1 : 1,13 oder 1 : 1,41.
Der Betriebsfrequenzbereich kann über einen relativ breiten Frequenzbereich reichen und kann im hörbaren Bereich und/oder im Ultraschallbereich liegen. Durch die Vorzüge des Betriebs des Wandlers mit verteilten Moden sind auch Sonar- und Schallmessungsanwendungen sowie Bildgebungsanwendungen denkbar, bei denen eine größere Bandbreite und/oder eine höhere mögliche Energie nützlich sein kann. Somit kann ein Betrieb über einen Bereich ermöglicht werden, der größer ist als der Bereich, der durch eine einzige dominante Eigenresonanz des Wandlers definiert wird.
Die niedrigste Frequenz in dem Betriebsfrequenzbereich liegt vorzugsweise oberhalb einer vorbestimmten unteren Grenze, die ungefähr die Eigenresonanz des Wandlers ist.
Beispielsweise kann die Kraft bei einem balkenartigen aktiven Resonanzelement vom Mittelpunkt des Balkens abgenommen werden und an die Modenform in dem akustischen Abstrahler angepasst sein, an dem es befestigt ist. Auf diese Art und Weise können die Aktion und die Reaktion zusammenwirken, um eine über die Frequenz konstante Ausgabe zu ergeben. Durch die Verbindung des Resonanzelements mit dem akustischen Abstrahler an einem Schwingungsbauch des Resonanzelements kann die erste Resonanz des Resonanzelements als niedrige Impedanz erscheinen. Auf diese Art und Weise sollte der akustische Abstrahler die Resonanz des Resonanzelements nicht verstärken.
Gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung wird ein Mikrofon bereitgestellt, das ein Element, welches eine hörbare Eingabe zu unterstützen vermag, und einen oben beschriebenen modalen Wandler umfasst, der an das Element gekoppelt ist, um in Reaktion auf eine akustische Eingangsenergie eine elektrische Ausgabe bereitzustellen.
Gemäß einer vierten Ausführungsform der Erfindung wird eine Knochenschallleitungs-Hörhilfe mit einem oben beschriebenen modalen Aktuator bereitgestellt.
Gemäß einer fünften Ausführungsform der Erfindung umfasst ein Verfahren zur Herstellung eines Lautsprechers mit einem akustischen Resonanzabstrahler und einem oben beschriebenen modalen Wandler die Schritte des Untersuchens der mechanischen Impedanzen der Resonanzelemente und des akustischen Abstrahlers, des Auswählens und/oder des Anpassens der Parameter des Abstrahlers und/oder des Elements, um die erforderliche Modalität des Resonanzelements und/oder des Abstrahlers zu erzielen und um einen erforderlichen Energietransfer zwischen dem Element und dem Abstrahler zu erreichen.
Gemäß einer sechsten Ausführungsform der Erfindung umfasst ein Verfahren zur Herstellung eines Lautsprechers mit einem akustischen Resonanzabstrahler und einem oben beschriebenen Wandler die Schritte des Untersuchens und/oder des Vergleichens der Geschwindigkeits- und der Kraftänderung für ein gegebenes modal betätigtes akustisches System und des Auswählens einer Kombination von Geschwindigkeits- und Kraftwerten, um einen gewählten Energietransfer zu erhalten.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung ist beispielhaft schematisch in beigefügten Zeichnungen dargestellt, in denen:
1 eine schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen paneelförmigen Lautsprechers zeigt;
1a einen Schnitt senkrecht zur Linie A-A in 1 zeigt;
2 eine schematische Draufsicht des parametrisierten Modells eines erfindungsgemäßen Wandlers zeigt;
2a einen Schnitt senkrecht zu der Befestigungslinie des in 2 dargestellten Wandlers zeigt;
3 ein Diagramm eines Qualitätskennwerts in Abhängigkeit der Aufhängungslänge (%L) für den in 2 dargestellten Wandler zeigt;
4 ein Diagramm eines Qualitätskennwerts in Abhängigkeit des Seitenverhältnisses für einen in 2 dargestellten Wandler zeigt, der entlang einer Strecke von 44% seiner Länge befestigt ist;
5 ein Diagramm der FEA-Simulation des Frequenzverhaltens für einen in 1 dargestellten paneelförmigen Lautsprecher mit einem Wandler zeigt, der entlang einer Strecke von 44% und 50% seiner Länge befestigt ist;
6a und 6b schematische Draufsichten eines Wandlers gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung zeigen;
7 eine graphische Auftragung der Qualitätskennwertsfunktion in Abhängigkeit von AR und TR für den in den 6a und 6b dargestellten Wandler zeigt;
8 das Frequenzverhalten für einen einzigen piezoelektrischen Balkenwandler zeigt;
9 eine Seitenansicht eines Doppelbalkenwandlers gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zeigt;
10 ein Diagramm zeigt, in dem das Frequenzverhalten der in der 8 und der 9 dargestellten Wandler aufgetragen ist;
11a bis 11c Diagramme der Kosten in Abhängigkeit von α (Frequenzverhältnis) für einen Doppelbalkenwandler, einen Dreibalkenwandler bzw. einen Dreischeibenwandler zeigt;
11d ein Diagramm der Qualitätskennwerte in Abhängigkeit des Radienverhältnisses für einen Dreischeibenwandler gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung zeigen;
12a eine Seitenansicht eines Multielementwandlers gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung zeigt;
12b eine Draufsicht des in 12a dargestellten Wandlers zeigt;
13 ein Diagramm der Qualitätskennwertsfunktion in Abhängigkeit des Seitenverhältnisses für einen Wandler mit zwei Platten zeigt;
14 ein Frequenzgang (Schalldruck (dB) in Abhängigkeit der Frequenz (Hz)) für drei auf einem Paneel befestigte Wandler mit verschiedener Dicke ist;
15 ein Frequenzgang (Schalldruck (dB) in Abhängigkeit der Frequenz (Hz)) für einen auf drei verschiedenen Paneelen befestigten erfindungsgemäßen Wandler ist;
16 ein Diagramm der Kraft, der Geschwindigkeit und der Energie in Abhängigkeit einer variierenden Last zeigt;
17 ein Frequenzgang für einen erfindungsgemäßen Wandler ist, der mit/ohne zusätzliche Dämpfungsmassen an einen Paneel befestigt ist;
18 eine Seitenansicht eines in 17 dargestellten Wandlers ist;
19 eine Seitenansicht eines Wandlers gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist;
20 eine Draufsicht des in 19 dargestellten Wandlers ist;
21a und 21b eine Seiten- bzw. eine Draufsicht eines Wandlers gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind;
22 eine Seitenansicht eines Wandlers gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist;
23 eine Seitenansicht eines gekapselten Wandlers gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist;
24 eine Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Wandlers ist, der am Konus eines Kolbenlautsprechers befestigt ist; und
25a und 25b eine Seiten- bzw. eine Draufsicht eines Wandlers gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind.
Beste Art und Weisen zur Ausführung der Erfindung
1 zeigt einen paneelförmigen Lautsprecher (10) mit einem akustischen Abstrahlen in Form eines Resonanzpaneels (12) und einem an dem Paneel (12) befestigten Wandler (14), um, wie in der WO 97/09842 beschrieben, Biegewellenschwingungen in dem Paneel (12) anzuregen. Resonanzbiegewellen-Paneellautsprecher, wie sie in der WO 97/09842 beschrieben sind, sind als DM- oder DML Lautsprecher bekannt. Der Wandler (14) ist außermittig an einer Kopplungseinrichtung (16) an einer Stelle an dem Paneel befestigt, die bei 4/9 der Paneellänge und 3/7 der Paneelbreite liegt. Dies ist eine optimale Position zum Aufbringen einer Kraft auf das Paneel, wie in der WO 97/09842 beschrieben.
Der Wandler (14) ist ein vorgespannter piezoelektrischer Aktuator von der in dem US-Patent 5,632,841 (internationale Patentanmeldung WO 96/31333) offenbarten Art und wird von PAR Technologies Inc. unter dem Markennamen NASDRIV produziert. Der Wandler (14) ist somit ein aktives Resonanzelement.
Wie in den 1 und 1a gezeigt, ist der Wandler (14) rechteckig mit einer aus der Ebene herausragenden Krümmung. Die Krümmung des Wandlers (14) bedeutet, dass die Kopplungseinrichtung (16) die Form einer Befestigungslinie aufweist. Somit ist der Wandler (14) nur entlang einer Linie A-A an dem Paneel (12) befestigt. Der Wandler ist mittig angebracht, das heißt die Befestigungslinie liegt auf halber Strecke entlang der Länge des Wandlers entlang der kurzen Symmetrieachse des Wandlers. Die Befestigungslinie ist asymmetrisch um ungefähr 120° zur langen Seite des Paneels ausgerichtet. Somit ist die Befestigungslinie nicht parallel zu den Symmetrieachsen des Paneels.
Der Ausrichtungswinkel θ der Befestigungslinie kann durch eine Modellierung eines mittig angebrachten Wandlers unter Verwendung zweier "Messgrößen der Schlechtigkeit" ausgewählt werden, um den optimalen Winkel zu finden. Beispielsweise ist die Standardabweichung der logarithmischen (dB) Größe des Frequenzgangs ein Maß für die "Rauhigkeit". Derartige Maßzahlen der Güte/Schlechtigkeit sind in der internationalen Anmeldung WO 99/41939 der Anmelder diskutiert.
Für die Modellierung wird die Paneelgröße auf 524,0 mm auf 462,0 mm festgelegt und, um das Modell zu vereinfachen, das Paneelmaterial so gewählt, dass es für die Paneelgröße optimal ist. Die Ergebnisse der Modellierung zeigen, dass für einen mittig angebrachten Wandler eine Winkeländerung von 180° keine Wirkung hat, und dass die Leistung des Lautsprechers nicht übermäßig empfindlich auf den Winkel reagiert. Jedoch führen Ausrichtungswinkel von ungefähr 90° bis 120° zu einer Verbesserung, da sie durch beide Verfahren relativ gut getroffen werden. Somit sollte der Wandler (14) um bis zu 30° bezüglich der langen Seite des Paneels (12) ausgerichtet sein.
Wenn der Wandler an dem Paneel entlang einer Befestigungslinie längs der kurzen Achse durch den Mittelpunkt angebracht ist, fallen die Resonanzfrequenzen der zwei Arme des Wandlers zusammen.
Ein parametrisiertes Modell eines Wandlers in Form eines aktiven Resonanzelements ist in 2 gezeigt. In dem Modell können das Verhältnis der Breite (W) zur Länge (L) des aktiven Resonanzelements und die Position (x) des Befestigungspunkts (16) entlang des Wandlers variiert werden. Das aktive Resonanzelement ist rechteckig mit einer Länge von 76 mm. 2a zeigt den modelllierten Wandler (14), der entlang einer nicht mittigen Befestigungslinie an einem Paneel (12) befestigt ist.
Die Ergebnisse der Analyse sind in den 3 und 4 gezeigt. 3 zeigt, dass ein optimaler Aufhängungspunkt eine bei 43% bis 44% längs der Länge des Resonanzelements verlaufende Befestigungslinie aufweist: die Qualitätskennwertsfunktion (oder Messgröße der "Schlechtigkeit") wird bei diesem Wert minimiert; dies entspricht einem geschätzten Befestigungspunkt bei 4/9 der Länge. Darüber hinaus zeigt die Computermodellierung, dass dieser Befestigungspunkt für einen Bereich von Wandlerbreiten gültig ist. Ein zweiter Aufhängungspunkt bei 33% bis 34% längs der Länge des Resonanzelements erscheint ebenfalls geeignet.
4 zeigt ein Diagramm der Qualitätskennwerte (oder des rms Mittenverhältnisses) in Abhängigkeit des Seitenverhältnisses (AR = W/2L) für ein bei 44% längs seiner Länge befestigtes Resonanzelement. Das optimale Seitenverhältnis beträgt 1,06 +/– 0,01 zu 1, da die Qualitätskennwertsfunktion bei diesem Wert minimiert ist.
Wie zuvor kann der optimale Befestigungswinkel θ an dem Paneel (12) für einen optimierten Wandler, nämlich einen mit einem Seitenverhältnis von 1,06 : 1 und einem Befestigungspunkt bei 44% durch eine Modellierung bestimmt werden. Bei einem Winkel von 0° zeigt der längere Abschnitt des Wandlers nach unten. Bei diesem abgewandelten Beispiel hat eine Drehung der Befestigungslinie (16) eine deutlichere Wirkung, da die Befestigungsposition nicht länger symmetrisch ist. Vorzugsweise beträgt der Winkel ungefähr 270°, das heißt das längere Ende ist nach links gerichtet.
Der Vollständigkeit halber wurde das Frequenzverhalten des sowohl bei 44% als auch bei 50% seiner Länge befestigten Wandlers gemessen, wie in 5 gezeigt. Der in der Linie (20) gezeigte 44%-Versatz führt im Vergleich zu dem in der Linie (22) dargestellten mittig befestigten Wandler zu einem geringfügig erweiterten Bass und hat dafür geringfügig mehr Wellen bei höheren Frequenzen.
Es scheint, dass die erhöhte modale Dichte des versetzten Antriebs durch das Trägheitsungleichgewicht gefährdet wird, das durch eine Befestigungsposition verursacht wird, die nicht länger im Massenschwerpunkt des rechteckigen Wandlers liegt. Dementsprechend wurden Untersuchungen durchgeführt, um herauszufinden, ob das inhärente Ungleichgewicht verbessert werden kann, ohne die verbesserte Modalität zu verlieren.
Die 6a und 6b zeigen ein zweites Beispiel, nämlich einen asymmetrisch geformten Wandler (18) in Form eines Resonanzelements mit einem trapezförmigen Querschnitt. Die Form des Trapezes wird durch zwei Parameter bestimmt, AR (Seitenverhältnis) und TR (Neigungsverhältnis). AR und TR bestimmen einen dritten Parameter, λ derart, dass einige Bedingungen erfüllt sind, beispielsweise eine gleiche Masse auf jeder Seite der Linie.
Die Bedingungsgleichung für eine gleiche Masse (oder eine gleiche Fläche) lautet wie folgt:
Die obige Gleichung kann ohne weiteres entweder nach TR oder λ als abhängige Variable aufgelöst werden, um
zu ergeben.
Äquivalente Ausdrücke sind leicht erhältlich, um die Trägheitsmomente auszugleichen oder um das Gesamtträgheitsmoment zu minimieren.
Die Bedingungsgleichung für ein gleiches Trägheitsmoment (oder ein gleiches zweites Flächenmoment) lautet wie folgt:
Die Bedingungsgleichung für ein minimales Gesamtträgheitsmoment lautet
Eine Qualitätskennwertsfunktion (Maßzahl der "Schlechtigkeit") ist für die Ergebnisse von 40 FEA-Läufen aufgetragen, wobei AR im Bereich von 0,9 bis 1,25 und TR im Bereich von 0,1 bis 0,5 lag, und wobei λ auf gleiche Massen beschränkt wurde. Der Wandler ist somit im Massenschwerpunkt befestigt. Die Ergebnisse sind unten tabelliert und in 7 aufgetragen, die die Qualitätskennwertsfunktion in Abhängigkeit von AR und TR zeigt.
7 und die tabellierten Ergebnisse zeigen, dass bei Werten von AR = 1 und TR = 0,3, woraus sich λ als nahe bei 43% liegend ergibt, eine optimale Form erhältlich ist (die im Punkt 28 in 7 gekennzeichnet ist). Ein Vorteil eines trapezoidalen Wandlers besteht somit darin, dass der Wandler entlang einer Befestigungslinie befestigt werden kann, die in seinem Schwerpunkt/Massenschwerpunkt liegt, aber keine Symmetrielinie darstellt. Ein derartiger Wandler würde somit die Vorteile einer ver besserten modalen Verteilung aufweisen, ohne sich im Trägheitsungleichgewicht zu befinden.
Dementsprechend wurde ein Modell des optimierten trapezoidalen Wandlers auf das gleiche Paneelmodell wie oben angewendet, um die beste Ausrichtung zu finden. Somit wurde, wie oben, die Paneelgröße auf 524,0 mm mal 462,0 mm festgelegt und das Paneelmaterial so gewählt, dass es für die Paneelgröße optimal ist. Die zwei vorher verwendeten Vergleichsverfahren ergeben wiederum 270° bis 300° als optimalen Ausrichtungswinkel.
Eine alternative Möglichkeit zur Optimierung der Modalität eines Wandlers besteht darin, einen Wandler mit zwei aktiven Elementen, wie z. B. zwei übereinstimmenden piezoelektrischen Balken zu verwenden. Ein Balken weist einen bei einer Grundmode beginnenden Satz von Moden auf, die durch die Geometrie und die Materialeigenschaften des Balkens festgelegt sind. Die Moden sind ziemlich weit voneinander beabstandet und begrenzen die Wiedergabetreue eines Lautsprechers mit einem oberhalb der Resonanz betriebenen Wandler. Deshalb wird ein zweiter Balken mit einer Modenverteilung ausgewählt, die in der Frequenz mit der modalen Verteilung des ersten Balkens verschachtelt ist.
Durch die Verschachtelung der Verteilung kann die Gesamtausgabe des Wandlers optimiert werden. Das Optimalitätskriterium wird so gewählt, dass es für die beabsichtigte Anwendung geeignet ist. Wenn beispielsweise das Passband für die zwei Balkenwandler nur bis zu Moden der zweiten Ordnung reicht, ist es nicht sinnvoll, die Verschachtelung der ersten zehn Moden zu optimieren, da dies die Optimalität der ersten 3 oder 4 Moden nachteilig beeinflussen kann.
Beispielhaft wird ein erstes piezoelektrisches bimorphes Element, 36 mm lang, 12 mm breit und insgesamt 350 μm dick betrachtet, das eine Grundbiegeresonanz bei ungefähr 960 Hz aufweist. Die ersten Moden sind in der Tabelle 1 angegeben.
Tabelle 1
Der erste Wandler wurde an einem kleinen Paneel befestigt und das Frequenzverhalten ist in 8 aufgetragen. Es existieren starke Ausgaben (38) bei 830 Hz und 3880 Hz sowie Senken (40) bei 1,6 kHz und 7,15 kHz. Die Frequenzen der Resonanzen liegen niedriger als vorhergesagt, möglicherweise aufgrund der Schwierigkeit, die mechanischen Eigenschaften des piezoelektrischen Materials genau vorherzusagen.
Das Verhalten weist zu viele breite Senken auf, um verwendbar zu sein, da die Ausgabe in den Bereichen um die Senken (40) verstärkt werden muss. Somit wäre ein Balken mit einem komplementären Satz von Frequenzen, nämlich einem Satz, der einen Frequenzgang mit Überhöhungen erzeugt, wo beim ersten Wandler die Senken liegen, ideal.
Ein kürzeres piezoelektrisches Element hat eine höhere Eigenfrequenz. Die Moden für einen derartigen, 28 mm langen Balken sind in der unten angegebenen Tabelle 2 gezeigt.
Tabelle 2
Die zwei Balken können kombiniert werden, um einen Doppelbalkenwandler (42) zu bilden, wie er in 9 gezeigt ist. Der Wandler (42) umfasst einen ersten piezoelektrischen Balken (43) auf dessen Rückseite ein zweiter piezoelektrischer Balken (51) durch eine Verbindungseinrichtung in Form eines Stummels (48) befestigt ist, der im Mittelpunkt beider Balken positioniert ist. Jeder Balken ist ein bimorphes Element. Der erste Balken (43) umfasst zwei Schichten (44, 46) aus einem unterschiedlichen piezoelektrischen Material und der zweite Balken (51) umfasst zwei Schichten (50, 52). Die Polungen einer jeden Schicht aus piezoelektrischem Material sind durch Pfeile (49) angegeben. Jede Schicht (44, 50) weist eine Polung auf, die derjenigen der anderen Schicht (46, 52) in dem bimorphen Element entgegengerichtet ist.
Der erste piezoelektrische Balken (44, 46) ist durch eine Kopplungseinrichtung in Form eines Stummels (56), der im Mittelpunkt des ersten Balkens positioniert ist, an einer Anordnung (54), beispielsweise einem Biegewellenlautsprecherpaneel befestigt.
Die Balken können auf jeder Seite eines DML-Paneels, eventuell an unterschiedlichen Positionen eingesetzt werden.
Durch die Befestigung des ersten Balkens an seinem Mittelpunkt erzeugen nur die Moden einer geradzahligen Ordnung eine Ausgabe. Durch die Anordnung des zweiten Balkens hinter dem ersten Balken und die mittige Kopplung beider Balken mittels eines Stummels kann davon ausgegangen werden, dass sie beide die gleiche axial ausgerichtete oder zusammenfallende Position antreiben.
Wenn die Elemente miteinander verbunden sind, entspricht die resultierende Modenverteilung nicht der Summe der separaten Sätze von Frequenzen, da jedes Element die Moden des anderen modifiziert. Die Frequenz in 10 zeigt den Unterschied zwischen einem Wandler mit einem einzigen Balken (60) und einem, der zwei gemeinsam verwendete Balken (62) aufweist. Die zwei Balken sind so gestaltet, dass ihre individuellen modalen Verteilungen verschachtelt sind, um die Gesamtmodalität des Wandlers zu verbessern. Die zwei Balken wirken zusammen, um eine brauchbare Ausgabe über einen interessierenden Frequenzbereich zu erzeugen. Lokale schmale Senken treten aufgrund der Wechselwirkung zwischen den piezoelektrischen Balken an ihren individuellen Moden geradzahliger Ordnung auf.
Der zweite Balken kann unter Verwendung des Verhältnisses der Eigenresonanz der zwei Balken ausgewählt werden. Wenn die Materialien und die Dicken identisch sind, entspricht das Verhältnis der Frequenzen gerade dem Quadrat des Verhältnisses der Längen. Wenn die höhere f0 (Eigenfrequenz) einfach auf die Hälfte zwischen f0 und f1 des anderen, größeren Balkens gelegt wird, fallen f3 des kleineren Balkens und f4 des unteren Balkens zusammen.
11a zeigt ein Diagramm einer Qualitätskennwertsfunktion in Abhängigkeit des Frequenzverhältnisses für zwei Balken, das zeigt, dass das ideale Verhältnis 1,27 : 1 beträgt, nämlich dort wo die Qualitätskennwertsfunktion im Punkt (58) minimiert ist. Dieses Verhältnis ist äquivalent dem "goldenen" Seitenverhältnis (Verhältnis von f02 : f20), das in der WO 97/09842 beschrieben ist.
Das Verfahren zur Verbesserung der Modalität eines Wandlers kann durch die Verwendung dreier piezoelektrischer Balken in dem Wandler erweitert werden. 11b zeigt einen Ausschnitt eines Diagramms einer Qualitätskennwertsfunktion in Abhängigkeit eines Frequenzverhältnisses für drei Balken. Das ideale Verhältnis beträgt 1,315 : 1,147 : 1.
Das Verfahren des Kombinierens von aktiven Elementen, wie z. B. Balken, kann auf die Verwendung von piezoelektrischen Scheiben erweitert werden. Bei der Verwendung von zwei Scheiben hängt das Verhältnis der Größen der zwei Scheiben davon ab, wie viele Moden berücksichtig werden. Für eine modale Dichte hoher Größenordnung kann ein Verhältnis der Grundfrequenzen von ungefähr 1,1 +/– 0,02 zu 1 zu guten Ergebnissen führen. Für eine modale Dichte geringer Größenordnung (das heißt die ersten paar oder die ersten fünf Moden) ist ein Verhältnis der Eigenfrequenzen von ungefähr 3,2 : 1 gut. Die erste Lücke erscheint zwischen den zweiten und den dritten Moden der größeren Scheibe.
Da eine große Lücke zwischen den ersten und den zweiten radialen Moden jeder Scheibe besteht, wird eine sehr viel bessere Verschachtelung mit drei statt mit zwei Scheiben erzielt. Wenn eine dritte Scheibe zu dem Doppelscheibenwandler hinzugefügt wird, besteht das erste ersichtliche Ziel darin, die Lücke zwischen den zweiten und den dritten Moden der größeren Scheibe im vorhergehenden Fall zu schließen. Jedoch zeigt der geometrische Verlauf, dass dies nicht die einzige Lösung ist. Bei der Verwendung von Eigenfrequenzen von f0, α·f0 und α²·f0 und der Auftragung von rms (α, α²), (quadratischer Mittelwert) in 11c existieren zwei prinzipielle Optima für α. Die Werte betragen ungefähr 1,72 und 2,90 für die beiden Minima (65) in dem Diagramm, wobei der letztgenannte Wert zu dem naheliegenden Lückenfüllungsverfahren gehört.
Bei der Verwendung von Grundfrequenzen von f0, α·f0 und β·f0, so dass beide Skalierungen frei sind und bei der Verwendung der obigen Werte von α als Ausgangswerte, werden geringfügig bessere Optima erzielt. Die Parameterpaare (α, β) sind (1,63, 3,03) und (3,20, 8,19). Diese Optima sind relativ flach, was bedeutet, dass Variationen von 10% oder sogar 20% in den Parameterwerten akzeptabel sind.
Ein alternativer Ansatz zur Bestimmung der zu kombinierenden verschiedenen Scheiben besteht darin, die Qualitätskennwerte als eine Funktion des Verhältnisses der Radien der drei Scheiben zu betrachten. 11d zeigt die Ergebnisse einer FEA-Analyse, in der drei verschiedene Qualitätskennwertsfunktionen in Abhängigkeit des Radienverhältnisses aufgetragen sind. In 11d sind die drei Scheiben miteinander verbunden, obwohl zu beachten ist, dass eine Analyse der drei Scheiben in isolierter Form ähnliche Ergebnisse erzeugt.
Die drei Qualitätskennwertsfunktionen sind RSCD (Verhältnis der Summe der Mittendifferenzen), SRCD (Summe des Verhältnisses der Mittendifferenzen) und SCR (Summe der Mittenverhältnisse), die durch die Linien (64), (66) bzw. (68) gezeigt sind. Für einen Satz modaler Frequenzen f₀, f₁, f_n, ... f_N sind diese Funktionen wie folgt definiert:
Das optimale Radienverhältnis, das heißt dort wo die Qualitätskennwertsfunktion minimiert ist, beträgt 1,3 bei allen drei in der 11d gezeigten Linien. Da das Quadrat des Radienverhältnisses gleich dem Frequenzverhältnis ist, stimmen die Ergebnisse von 1,3*1,3 = 1,69 und das analytische Ergebnis von 1,67 für diese Scheiben aus einem identischen Material und mit einer identischen Dicke gut überein.
Alternativ oder zusätzlich können passive Elemente in den Wandler integriert werden, um seine Gesamtmodalität zu verbessern. Die aktiven und passiven Elemente können in einer Kaskade angeordnet sein. Die 12a und 12b zeigen einen Mehrscheibenwandler (70) mit zwei aktiven piezoelektrischen Elementen (72), die mit zwei passiven Resonanzelementen (74), z. B. dünne Metallplatten gestapelt sind, so dass die Moden der aktiven und passiven Elemente verschachtelt sind. Die Elemente sind durch eine Verbindungseinrichtung in Form von Stümpfen (78) verbunden, die im Mittelpunkt eines jeden aktiven und passiven Elements angeordnet sind. Die Elemente sind konzentrisch angeordnet. Jedes Element weist unterschiedliche Abmessungen auf, wobei die kleinsten und die größten Scheiben am oberen bzw. am unteren Ende des Stapels angeordnet sind. Der Wandler (70) ist durch eine Kopplungseinrichtung in Form eines Stummels (78), der im Mittelpunkt der ersten, die größte Scheibe dar stellenden passiven Einrichtung angeordnet ist, an einer Lasteinrichtung (76), wie z. B. einem Paneel befestigt.
Das Verfahren zur Verbesserung der Modalität eines Wandlers kann auf einen Wandler mit zwei aktiven Elementen in Form piezoelektrischer Platten erweitert werden. Zwei Platten mit Abmessungen (1 auf α) und (α auf α²) sind bei (3/7, 4/9) verbunden. 13 zeigt ein Diagramm der Qualitätskennwertsfunktion in Abhängigkeit des Seitenverhältnisses (α) und der optimale Wert (75) für α beträgt 1,14. Das Frequenzverhältnis beträgt daher ungefähr 1,3 : 1 (1,14 × 1,14 = 1,2996).
Zusätzlich oder als Alternative zur Änderung der modalen Eigenschaften des Wandlers können die Parameter des Gegenstands auf dem der Wandler befestigt ist, z. B. des Paneels, verändert werden, um an die Modalität des Wandlers angepasst zu werden. Beispielsweise zeigen 14 und 15 unter der Annahme eines in Form eines aktiven Resonanzelements an einem Paneel befestigten Wandlers, wie der Frequenzgang in Abhängigkeit der Dicke des Wandlers bzw. der Dicke des Paneels variiert. Das aktive Element weist die Form eines piezoelektrischen Balkens auf. 14 zeigt drei Frequenzgänge (84), (86), (88) für einen 177 μm, einen 200 μm bzw. einen 150 μm Balken. 15 zeigt drei Frequenzgänge (90), (92), (94) für ein 1,1 mm, ein 0,8 mm bzw. ein 1,5 mm dickes Paneel.
Die 14 und 15 zeigen, dass der Frequenzgang für ein 1,1 mm Paneel mit dem Frequenzgang für einen 177 μm dicken Balken übereinstimmt. Folglich stimmt die Modalität eines 1,1 mm Paneels mit der eines 177 μm Balkens überein.
Obwohl der Wandler modal ist, kann eine mittlere Kraft und eine Geschwindigkeit für jede Last oder Paneelimpedanz abgeschätzt werden. Die maximale mechanische Energie wird erhalten, wenn das Produkt der Kraft und der Geschwindigkeit ein Maximum erreicht. Der Wandler kann dazu verwendet werden, jede Last anzutreiben und der optimale Lastwert kann, wie in 16 gezeigt ist, durch eine Auftragung der Geschwindigkeit (170), der Kraft (172) und der mechanischen Energie (174) in Abhängigkeit des Lastwiderstands gefunden werden. Die maximale Energie (176) tritt auf, wenn der Lastwiderstand ungefähr 12 Ns/m beträgt; für einen geringeren Lastwiderstand steigt die Geschwindigkeit an und die Kraft nimmt ab, und für einen höheren Lastwiderstand nimmt die Geschwindigkeit ab und die Kraft nimmt zu.
17 zeigt die Ergebnisse des Hinzufügens kleiner Massen (104) am Ende des piezoelektrischen Wandlers (106) mit einer Kopplungseinrichtung (105), wie in 18 gezeigt. In 17 sind die Frequenzgänge (108, 110 und 120) für einen Wandler ohne Masse, einen Balken mit zwei 0,67 g Massen bzw. einen Wandler mit zwei 2 g Massen gezeigt. Ein Balken mit zwei 2 g Massen ist ideal angepasst, da der Frequenzgang (110) eine geringere Variation im mittleren Bereich (1 kHz bis 5 kHz) aufweist als die Frequenzgänge (108, 112) für keine Masse oder für 0,67 g Massen.
In den 19 und 20 ist der Wandler (114) ein elektrodynamischer Inertialanreger mit beweglicher Spule, wie er z. B. in der WO 97/09842 beschrieben ist, und weist eine ein aktives Element (115) bildende Schwingspule und ein passives Resonanzelement in Form einer modalen Platte (118) auf. Das aktive Element (115) ist an der modalen Platte (118) befestigt und bezüglich der modalen Platte außermittig angeordnet. Die modale Platte (118) ist durch eine Kopplungseinrichtung (120) an dem Paneel (116) befestigt. Die Kopplungseinrichtung fluchtet mit der Achse (Z) des aktiven Elements, nicht aber mit der zur Ebene des Paneels (116) senkrechten Achse (119). Somit fällt der Wandler nicht mit der senkrechten Achse (Z) zusammen. Das aktive Element ist über elektrische Kabel (122) mit einem elektrischen Signaleingang verbunden.
Wie in 20 gezeigt ist, ist die modale Platte (118) perforiert, um ihre akustische Abstrahlung zu verringern. Das aktive Element ist bezüglich der modalen Platte (118) außermittig, z. B. an der optimalen Befestigungsposition, das heißt bei (3/7, 4/9) angeordnet. Darüber hinaus ist der Wandler (114) bezüglich des Paneels (116) außermittig, also beispielsweise an der optimalen Befestigungsposition, das heißt bei (3/7, 4/9) angeordnet. Der Wandler (114) fällt somit nicht mit einer beiden zueinander normalen Achsen (X, Y) zusammen, die in der Ebene des Paneels (116) liegen.
Die 21a und 21b zeigen einen Wandler (124) mit einem aktiven piezoelektrischen Resonanzelement, das durch eine Kopplungseinrichtung (126) in Form eines Stummels an einem Paneel (128) befestigt ist. Sowohl der Wandler (124) als auch das Paneel (128) weisen Breiten- zu Längenverhältnisse von 1 : 1,13 auf. Die Kopplungseinrichtung (126) fluchtet nicht mit einer der Achsen (130, X, Y, Z) des Wandlers oder des Paneels. Darüber hinaus liegt die Position der Kopplungseinrichtung in der optimalen Position außermittig bezüglich des Wandlers (124) und des Paneels (128).
22 zeigt einen Wandler (132) in Form eines aktiven piezoelektrischen Resonanzelements in Gestalt eines Balkens. Der Wandler (132) ist durch zwei Kopplungseinrichtungen (136) in Form von Stummeln mit einem Paneel (134) verbunden. Ein Stummel ist zu einem Ende (138) des Balkens hin angeordnet und der andere Stummel ist zum Mittelpunkt des Balkens hin angeordnet.
23 zeigt einen Wandler (140) mit zwei aktiven Resonanzelementen (142, 143), die durch eine Verbindungseinrichtung (144) verbunden sind, und einem Gehäuse (148), das die Verbindungseinrichtung (144) und die Resonanzelemente (142) umgibt. Der Wandler ist somit stoß- und schlagresistent ausgestaltet. Das Gehäuse besteht aus Gummi mit einer geringen mechanischen Impedanz oder einem vergleichbaren Polymer, so dass es die Funktion des Wandlers nicht negativ beeinflusst. Wenn das Polymer wasserabweisend ist, kann der Wandler (140) wasserdicht ausgebildet werden.
Das obere Resonanzelement (142) ist größer als das untere Resonanzelement (143), das über eine Kopplungseinrichtung in Form eines Stummels mit einem Paneel (145) verbunden ist. Der Stummel ist im Mittelpunkt des unteren Resonanzelements (143) angeordnet. Die Energiekopplungen (150) für jedes aktive Element erstrecken sich aus dem Gehäuse, um eine gute Audiokopplung an eine Lasteinrichtung (nicht gezeigt) zu ermöglichen.
24 zeigt einen erfindungsgemäßen Wandler (152), der eine Kraft auf eine Membran für einen Kolbenlautsprecher aufbringt. Die Membran hat die Form eines Konus (154) mit einer Spitze, an der der Wandler befestigt ist. Der Konus (154) ist durch eine elastische Abschlusseinrichtung (158) in einer Schallwand (156) gehalten.
Die 25a und 25b zeigen einen Wandler (160) in Form eines plattenartigen aktiven Resonanzelements. Das Resonanzelement ist mit Schlitzen (162) ausgebildet, die Finger (164) festlegen und somit ein Multiresonanzsystem bilden. Das Resonanzelement ist durch eine Kopplungseinrichtung in Form eines Stummels (166) an einem Paneel (168) befestigt.
Die vorliegende Erfindung kann dahingehend als Umkehrung eines Paneels mit verteilten Moden, wie es in z. B. in der WO 97/09842 beschrieben ist, angesehen werden, dass der Wandler als ein Gegenstand mit verteilten Moden ausgestaltet ist. Darüber hinaus wird die Kraft von dem Wandler an einem Punkt abgenommen, der normalerweise als Antriebspunkt bei verteilten Moden verwendet würde (z. B. die optimale Position (3/7, 4/9)).
Industrielle Anwendbarkeit
Die Erfindung stellt somit einen Wandler mit verbesserter Leistung sowie einen Lautsprecher oder ein Mikrofon bereit, bei denen die Einrichtung eingesetzt wird.

Claims

Elektromechanischer Kraftwandler mit einem Resonanzelement und einer Kopplungseinrichtung an dem Resonanzelement, um den Wandler an einem Ort zu befestigen, auf den Kraft aufgebracht werden soll, dadurch gekennzeichnet, dass der Wandler einen vorgesehenen Betriebsfrequenzbereich aufweist, das Resonanzelement eine Frequenzverteilung der Moden in dem Betriebsfrequenzbereich aufweist und die Parameter des Resonanzelements derart sind, dass sie die Verteilung der Moden in dem Element in dem Betriebsfrequenzbereich verbessern.
Wandler nach Anspruch 1, bei dem die Kopplungseinrichtung an dem Resonanzelement an einer Position angebracht ist, die für die Kopplung modaler Aktivität des Resonanzelements an den Ort günstig ist.
Wandler nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, bei dem das Resonanzelement passiv ist und der Wandler eine Verbindungseinrichtung umfasst, durch die das Resonanzelement an ein aktives Wandlerelement gekoppelt ist.
Wandler nach Anspruch 3, bei dem die Verbindungseinrichtung an dem Resonanzelement an einer Position angebracht ist, die zur Verbesserung von modaler Aktivität in der Resonanzeinrichtung günstig ist.
Wandler nach Anspruch 3 oder Anspruch 4, bei dem das aktive Element eine sich bewegende Spule, ein sich bewegender Magnet, eine piezoelektrische Einrichtung, eine magnetostriktive Einrichtung, eine elektrostriktive Einrichtung oder eine Elektreteinrichtung ist.
Wandler nach einem der Ansprüche 3 bis 5, bei dem das Resonanzelement perforiert ist.
Wandler nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, bei dem das Resonanzelement aktiv ist.
Wandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Resonanzelement eine akustische Öffnung aufweist, die klein ist, um ihre akustische Abstrahlung zu vermindern.
Wandler nach Anspruch 7 oder Anspruch 8, bei dem das aktive Element eine piezoelektrische Einrichtung, eine magnetostriktive Einrichtung, eine elektrostriktive Einrichtung oder eine Elektreteinrichtung ist.
Wandler nach Anspruch 9, bei dem das aktive Element eine vorgespannte piezoelektrische Einrichtung ist.
Wandler nach einem der Ansprüche 5, 9 und 10, bei dem das aktive Element eine piezoelektrische Einrichtung ist, die auf einem plattenartigen Substrat befestigt ist, wobei die Breite des Substrats mindestens doppelt so groß ist, wie die der piezoelektrischen Einrichtung.
Wandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Resonanzelement entlang zweier im Wesentlichen senkrechter Achsen modal ist.
Wandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Größe der Kopplungseinrichtung ähnlich der Wellenlänge der Wellen in dem Betriebsfrequenzbereich oder kleiner ist.
Wandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das gekoppelte Resonanzelement in dem Betriebsfrequenzbereich eine Dichte der Moden aufweist, die ausreicht, das aktive Element eine über die Frequenz im Wesentlichen konstante wirksame Durchschnittskraft bereitstellen zu lassen.
Wandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Parameter aus der Gruppe bestehend aus dem Seitenverhältnis, der Biegesteifigkeitsisotropie, der Dickenisotropie und der Geometrie ausgewählt sind.
Wandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Resonanzelement plattenartig ist.
Wandler nach Anspruch 16, bei dem die Resonanzplatte zur Bildung eines Multiresonanzsystems mit Schlitzen oder Unstetigkeiten ausgebildet ist.
Wandler nach einem vorhergehenden Anspruch, bei dem das oder jedes Resonanzelement im Wesentlichen balkenförmig ist.
Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 17, bei dem das oder jedes Resonanzelement im Wesentlichen scheibenförmig ist.
Wandler nach Anspruch 16 oder Anspruch 18, bei das Resonanzelement im Wesentlichen rechteckig ist.
Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 17, bei dem das Resonanzelement trapezförmig ist.
Wandler nach Anspruch 18 oder Anspruch 20, bei dem das Resonanzelement aus der Ebene heraus gekrümmt ist.
Wandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einer Mehrzahl von Resonanzelementen, von denen jedes eine Verteilung der Moden aufweist, wobei die Moden der Resonanzelemente so gewählt sind, dass sie sich in dem Betriebsfrequenzbereich überlappen, und eine Verbindungseinrichtung umfasst, um die Resonanzelemente aneinander zu koppeln.
Wandler nach Anspruch 23 in Abhängigkeit von Anspruch 18, mit zwei Balken, die ein Frequenzverhältnis von 1,27 : 1 aufweisen.
Wandler nach Anspruch 23 in Abhängigkeit von Anspruch 18, mit drei Balken, die ein Frequenzverhältnis von 1,315 : 1,147 : 1 aufweisen.
Wandler nach Anspruch 23 in Abhängigkeit von Anspruch 19, mit zwei Scheibenelementen, die ein Frequenzverhältnis von 1,1 +/– 0,02 zu 1 aufweisen.
Wandler nach Anspruch 23 in Abhängigkeit von Anspruch 19, mit zwei Scheibenelementen, die ein Frequenzverhältnis von 3,2 : 1 aufweisen.
Wandler nach Anspruch 23, bei dem die Mehrzahl von Resonanzelementen scheibenförmig ausgebildet ist und mindestens drei derartige scheibenförmige Elemente umfasst.
Wandler nach Anspruch 28, bei dem die drei Scheibenelemente ein Frequenzverhältnis von 3,03 : 1,63 : 1 oder 8,19 : 3,20 : 1 aufweisen.
Elektromechanischer Inertialkraftwandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Lautsprecher mit einem akustischen Abstrahler und einem Wandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Wandler an den akustischen Abstrahler gekoppelt ist, um den akustischen Abstrahler zur Erzeugung einer akustischen Ausgabe anzuregen.
Lautsprecher nach Anspruch 31, bei dem die Parameter der Kopplungseinrichtung zur Steuerung der Verteilung der Moden in dem Resonanzelement in dem Betriebsfrequenzbereich ausgewählt sind.
Lautsprecher nach Anspruch 31 oder Anspruch 32, bei dem die Kopplungseinrichtung bezüglich des akustischen Abstrahlers asymmetrisch positioniert ist.
Lautsprecher nach einem der Ansprüche 31 bis 33, bei dem die Kopplungseinrichtung eine Befestigungslinie bildet.
Lautsprecher nach Anspruch 34, bei dem die Befestigungslinie nicht mit einer Symmetrielinie des Resonanzelements zusammenfällt.
Lautsprecher nach Anspruch 34 oder Anspruch 35, bei dem die Befestigungslinie nicht parallel zu einer Symmetrieachse des akustischen Abstrahlers ist.
Lautsprecher nach einem der Ansprüche 31 bis 36, bei dem die Form des Resonanzelements so gewählt ist, dass sie eine außermittige Befestigungslinie bereitstellt, die sich im Wesentlichen im Schwerpunkt des Elements befindet.
Lautsprecher nach einem der Ansprüche 31 bis 37, bei dem der Wandler trapezförmig ist.
Lautsprecher nach Anspruch 31 oder Anspruch 32, bei dem die Kopplungseinrichtung einen kleinen lokalen Befestigungsbereich oder einen Befestigungspunkt bildet.
Lautsprecher nach einem der Ansprüche 31 bis 39, bei dem die Kopplungseinrichtung entfernt vom Mittelpunkt des Resonanzelements positioniert ist.
Lautsprecher nach Anspruch 40, bei dem die Kopplungseinrichtung an einem Schwingungsbauch des Resonanzelements positioniert ist.
Lautsprecher nach einem der Ansprüche 39 bis 41, bei dem die Kopplungseinrichtung mehr als einen Kopplungspunkt zwischen dem Resonanzelement und dem akustischen Abstrahler umfasst.
Lautsprecher nach einem der Ansprüche 31 bis 42, bei dem der akustische Abstrahler über zumindest einen Teil seines Betriebsfrequenzbereichs bewusst kolbenartig ist.
Lautsprecher nach einem der Ansprüche 31 bis 43, bei dem der akustische Abstrahler Biegewellenschwingungen zu unterstützen vermag und der Wandler zur Erzeugung einer akustischen Ausgabe Biegewellenschwingungen in dem akustischen Abstrahler erzeugt.
Lautsprecher nach Anspruch 44, bei dem der akustische Abstrahler Resonanzbiegewellenmoden unterstützt und der Wandler die Resonanzbiegewellenmoden anregt.
Lautsprecher nach Anspruch 45, bei dem die Parameter des akustischen Abstrahlers so gewählt sind, dass sie die Verteilung der Moden in dem Resonanzelement in dem Betriebsfrequenzbereich verbessern.
Lautsprecher nach Anspruch 45 oder Anspruch 46, bei dem die Parameter des akustischen Abstrahlers und die Parameter des Resonanzelements im Zusammenwirken so ausgewählt sind, dass sie die Verteilung der Moden in dem Lautsprecher in dem Betriebsfrequenzbereich verbessern.
Lautsprecher nach einem der Ansprüche 31 bis 47, bei dem der Bereich des Resonanzelements verglichen mit dem des akustischen Abstrahlers klein ist.
Verfahren zur Herstellung eines Lautsprechers mit einem akustischen Resonanzabstrahler und einem Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 30 mit den Schritten des Untersuchens der mechanischen Impedanzen der Resonanzelemente und des akustischen Abstrahlers, des Auswählens und/oder Anpassens der Parameter des Abstrahlers und/oder des Elements, um die erforderliche Modalität des Reso nanzelements und/oder des Abstrahlers zu erzielen und um einen erforderlichen Energietransfer zwischen dem Element und dem Abstrahler zu erreichen.
Mikrofon mit einem Element, das dazu in der Lage ist, eine hörbare Eingabe zu unterstützen, und einem Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 30, der an das Element gekoppelt ist, um in Reaktion auf eine eingehende akustische Energie eine elektrische Ausgabe bereitzustellen.