DK148579B - Membran til en elektroakustisk transor - Google Patents

Description

148579

Opfindelsen vedrører membraner for elektroakustiske transorer, navnlig sådanne transorer, hvor membranen er koblet til en elektromekanisk transor f.eks. en højttalers svingspole.

Kvaliteten af en højttalers lydreproduktion er afhængig af membranens aksiale bevægelse som funktion af frekvensen, af retningsegenskaberne og frem for alt af en faktor, som benævnes farvning.

For at opnå den bedste lydreproduktion er det nødvendigt, at hver af disse faktorer er korrekte, hvilke faktorer ikke nødvendigvis er uafhængige af hinanden. Det er derfor muligt i nogen udstrækning at reducere farvningen ved at ændre på den aksiale bevægelseskarakteristik som funktion af frekvensen. Det er også muligt at afbøde på mangler i retningskarakteristikken ved at ændre den aksiale 2 148579 bevægelseskarakteristik som funktion af frekvensen. I ingen af tilfældene må forandringerne i den aksiale bevægelseskarakteristik som funktion af frekvensen være så omfattende, at karakteristikken selv bliver utilfredsstillende. Endvidere behøver en passende balance mellem de nævnte karakteristikker for et lydprogram ikke at være optimal til et andet lydprogram. Af disse grunde opdeles kvalitetshøjttalere i to eller endog tre frekvensområder, således at en højttaler er indrettet til at gengive et af disse frekvensområder og drives via et tilhørende delekredsløb. Til bashøjttalere anvendes membraner af den udfaldende type, det vil sige at membranen i snit udviser faconer, som rækker mellem koniske og hyperbolske kurver, hvilke membraner under et betegnes som en "konus".

Til højfrekvensområdet anvendes såkaldte "dome tweeters", fordi membranen fortrinsvis er kuppelformet (dorne). Membraner til elek-trodynamiske højttalere kan udformes med konisk tværsnit, med exponentiel form eller med et tværsnit, hvis overvejende del er konisk eller exponentielt udformet. På denne måde kan hver højttalerenhed gengive hver sit optimale frekvensområde med en tilsvarende forbedring for det samlede højttalersæt.

En sådan løsning medfører imidlertid nødvendigheden af at fremstille flere forskellige højttalerenheder, som medfører forøgede omkostninger. Prisen forøges yderligere på grund af delekredsløbet til højttalerne, og det skal nøje påses, at følsomhederne for hver højttalerenhed nøje svarer til hinanden. Af disse grunde foretrækkes det ved billigere højttalere at anvende en enkelt enhed, som dækker hele frekvensområdet, hvilket medfører større fare for, at lyden bliver farvet, at højttaleren vil blive for retningsbestemt, samt at den aksiale bevægelseskarakteristik som funktion af frekvensen vil blive begrænset.

Hidtil har membraner for elektroakustiske transorer været fremstillet af mange forskellige materialer med forskellige fysiske egenskaber. Fra beskrivelsen til engelsk patent nr. 1.384.716 er det f.eks. kendt at anvende polystyren, polyvinylchlorid, poly-methacrylamid, celluloseacetat, acrylharpikser, polyacrylnitril-harpiks, polyacrylamid, phenolharpikser, umættede polyesterharpikser, polyoxyharpikser og polyurethanharpikser. Fra beskrivelsen til engelsk patent nr. 1.271.539 kendes højttalermembraner af klæde med en påsmeltet syntetisk skumharpiks. Fra engelsk patent nr. 1.186.722 kendes en flad højttaler, hvis membran kan være fremstil- 3 U8579 let af polystyren, polyvinylchlorid, polyethylen, polyamid, poly-urethan, acrylnitril-butadien-styrenharpiks, som også kan være op-skummet, som det er kendt fra beskrivelsen til engelsk patent nr.

1 384 716. Endvidere kendes der fra beskrivelsen til engelsk patent nr. 1 174 911 højttalermembraner af metal, navnlig titanium.

Yderligere er der i USA patentskrift nr. 3 093 207 beskrevet en membran, der er fremstillet af en tynd, let plad^ der sædvanligvis er fremstillet af et metal såsom aluminium, men som også alternativt beskrives· som fremstillet af forskellige formstoffer såsom celluloseestere, vinylpolymere og copolymere, polypropylen, polystyren, polymeriserede estere og acryl og methacryliske syrer og nylon. I USA patentskrift nr. 3 093 207 antydes at der kan forventes forbedrede akustiske egenskaber med tynde metalmembraner, som eventuelt er påfæstet tyndt lag dæmpningsmateriale.

Ingen af de nævnte formstoffer og metalmaterialer har imidlertid medført den ønskede kvalitet ved gengivelse af lyd over hele lydfrekvensområdet .

Formålet med opfindelsen er at angive en membran til en elektroakustisk transor, hvilken membran kan anvendes tilfredsstillende over hele frekvensområdet. Det er endvidere formålet at angive et syntetisk formstof til brug i højttalere af svingspoletypen til membranen således, at højttaleren kan bruges tilfredsstillende over hele frekvensområdet.

Dette opnås ved, at membranmaterialet er fremstillet som angivet i krav l's kendetegnende del.

Det er nu konstateret, at man ved et passende valg af de fysiske egenskaber for de materialer, som anvendes til konstruktion af membraner til elektroakustiske transorer, kan opnå tilfredsstillende lydgengivelse over hele frekvensområdet ved hjælp af en enkelt højttalerenhed. De materialer, som hidtil har været anvendt ved konstruktion af højttalermembraner, har ikke opfyldt disse krav.

4.- 148579

Det er således ikke kun et spørgsmål om at vælge en bestemt polymer til fremstillingen af en membran. Det har nu vist sig, at membranen skal besidde de førnævnte fysiske egenskaber for at kunne anvendes over hele frekvensområdet. Disse fysiske egenskaber besiddes af forskellige kommercielt tilgænglige polypropylener og ethylen-propylen-copolymere, i hvilke ethylen er en mindre del. Forudsat at det til fremstilling af membranen anvendte polymer eller copolymere materiales massefylde, Young's modul og mekaniske "Q” ligger indenfor det førnævnte område, da vil membranen besidde de ønskede fremragende akustiske egenskaber.

Det er specielt overraskende at polypropylen og de førnævnte - ethylen-propylen copolymere, når de besidder de førnævnte fysiske egenskaber, giver de ønskede akustiske egenskaber, da de poly-ethylener der hidtil har fundet anvendelse har været utilfredsstillende.

Det skal bemærkes, at ikke alle kommercielt tilgængelige former for propylen og ethylen-copolymere kan anvendes til den foreliggende opfindelse. Generelt besidder f.eks. de kommercielt tilgængelige polypropylener ikke.alle de samme fysiske egenskaber, men besidder egenskaber der varierer i overensstemmelse med hvil-" ke fremstillingsmetoder der er anvendt og tilstedeværelsen af sædvanlige tilsætningsstoffer som f.eks. fyldstoffer. Nogle materialer der markedsføres"som polypropylener er faktisk ethylen-propylen copolymere, der indeholder en mindre mængde af ethylen på copolymeriseret form.

Foruden at fremstille membranerne af et enkelt lag af formstoffer i den foreliggende form kan formstofferne belægges på en eller begge sider med andre formstoffer, metalliske eller keramiske materialer, forudsat, at de nævnte fysiske egenskaber holder sig inden for de angivne grænser. På denne måde kan der opnås forandringer i lydreproduktionen. Der kan således opnås tilfredsstillende resultater med en højttaler, hvor en membran af ethy-len-polypropylencopolymer belægges med et tyndt lag (f.eks. 38 mikrometer) af polyethylen med lav massefylde eller af højataktisk polypropylen. Propylen-homopolymer og copolymer kan også udgøre mellemlæg i en lagkonstrueret membran med tynde dæklag af let- 5 148579 metal, f.eks. aluminium, titan eller beryllium eller af andre formstoffer, f.eks. polystyren, polyvinylchlorid, acrylnitril-butadien-styren terpolymer og polyethylen eller endog keramiske materialer såsom materialer hørende til bariumtitanatgruppen.

Det er vanskeligt at forklare, hvorfor f.eks. polypropylen med de førnævnte egenskaber medfører membraner med de ønskede akustiske egenskaber, medens andre formstoffer med lignende fysiske egenskaber ikke er tilfredsstillende. Det menes, at krystallerne i polypropylen er tilfældigt orienteret, medens f.eks. polyethylen har en struktur, som under høj acceleration frembragt at svingspolen frembringer en indbyrdes glidning mellem molekylerne, hvorved der opstår akustisk forvrængning.

Det vil kunne forstås, at belagte eller lagkonstruerede membraner kan fremstilles på forskellige måder afhængigt af de anvendte materialer. Hvis der anvendes en metalbelægning, vil metallet blive påført på mellemlægsmaterialet enten som en forud formet folie eller ved pådampning, hvor den forud formede folie pålimes ved hjælp af en lim på f.eks. polyvinylacetat-basis. Når formstoffer skal forbindes indbyrdes, kan der anvendes varmesvejsningsmetoder.

I den nedenstående tabel er der angivet de fysiske egenskaber for et antal formstoffer, som har været brugt til fremstilling af højttalermembraner. Ved hjælp af tabellen kan det ses, hvilke produkter, der har de ønskede fysiske egenskaber ifølge opfindelsen.

I tabellen, beskrivelsen og de følgende krav, er der henvist til den mekaniske "Q" værdi for det materiale, eller den kombination af materialer, der udgør membranen. Den mekaniske "Q" værdi, der også er kendt som "Q" værdien eller godhedsfaktoren er en parameter der angiver egenskaberne ved et vibrerende system og defineres ved den følgende ligning _ _ 2V x energi___ y energitab i en periode 6 148579

TABEL

Fysiske egenskaber

Prøve Materiale Mekanisk Q Y°^^dUl * æaSt^e 12 6'.75 x 105 z B Se*e 10·5 10’5X1°5 °·* ° ^3¾¾4 17 19,75X105 0,95

Dl polystyren* 31 10 x 10^ 0,99 polystyren* med D2 et tyndt lag 21 " 1,00 ”Plastiflex,,++ polystyren* med

Tj-z et tykt lag « .. ,n "Plastiflex” y χ»·30 på hver side E polypropylen 11.0 15»5 x 10^ 0,89 propylen/ ethylen- copolymer c F ("Shorkofilm"- 11.0 11,5 x 100 0,89 product of British Cellophane)

Som F med - G belægning (38 μ) 10.0 9,95 x 10p 0,92 af LDPE**

Som F med H belægnine (30 u) 14 13,5 x 105 0,90 af mdpe

Som F med d 8'5 10 X 105 0,91 belægning (30 μ) * Tilgængeligt i handelen under registreret varemærke "Bextrene" Polyethylen med lille massefylde aryjf

Polyethylen med middel massefylde + Membrantykkelse var 0,375 mm plus tykkelsen af en angiven belægning ++ I handelen tilgængelig form for polyvinylacetat

Opfindelsen er anvendelig til membraner for elektroakustiske transorer, hvor membranerne kan have forskellige former som alle- 148579 7 rede nævnt. Opfindelsen er særligt anvendelig til konusformede membraner og til kuppelformede membraner. Retningskarakteristikken og den aksiale bevægelseskarakteristik som funktion af frekvensen er afhængig af membranens form eller kontur og er afhængig af, hvilket materiale membranen er fremstillet af. Når der skal fremstilles en enkelt højttalerenhed, som skal dække hele frekvensområdet, foretrækkes det at anvende en membran ifølge opfindelsen med hyperbolsk form. Under disse omstændigheder vil en lydbølge udbrede sig fra svingspolen langs membranen med en sådan hastighed, at den akustiske kildes effektive størrelse forekommer væsentligt mindre, når frekvensen stiger, selv om der foregår udstråling fra hele membranen, idet kombinationen af den mekaniske dæmpning i materialet og i omgivelserne sikrer et lavt standbølgeforhold.

Den effektive mekaniske impedans, som svingspolen mærker, bliver derfor også mindre, når frekvensen stiger, og som følge af den aksiale bevægelseskarakteristik som funktion af frekvensen opretholdes denne impedans til en høj frekvens.

Selv om en højttaler med en enkelt højttalerenhed, som er forsynet med en membran ifølge opfindelsen, medfører gode resultater, foretrækkes det for at opnå den bedst mulige lydgengivelse, at højttaleren omfatter to eller tre højttalerenheder med membraner ifølge opfindelsen, som dækker hver sit frekvensområde. Højttaleren bliver derved ganske vist dyrere, men det er konstateret, at den opnåede lydgengivelse er væsentligt bedre, end den lydgengivelse, der kan opnås med flere højttalerenheder med membraner, som ikke opfylder specifikationerne ifølge opfindelsen.

Den lydgengivelse, som kan opnås med én 0g navnlig flere membraner ifølge opfindelsen, er således, at et trænet øre kan fornemme mindre forvrængninger, som hidrører fra andre dele af højttalerkonstruktionen, og som er ubetydelige i forhold til den farvning af lyden, som forekommer når der anvendes andre materialer til fremstilling af selve membranerne end dem, der falder ind under opfindelsen. Sædvanligvis anvendes også formstoffer til højttalerkonstruktionernes såkaldte ydre støttering og til de såkaldte svingspolestyr eller centreringsorganer. Derfor foretrækkes det, at disse konstruktionsdele, hvor det er relevant, også er fremstillet af de førnævnte polypropylen eller ethylen-propylen copolymere der besidder de nævnte fysiske egenskaber.

8 148579

Opfindelsen vil blive nærmere forklaret ved den følgende beskrivelse af nogle udførelsesformer, idet der henvises til tegningen, hvor fig. 1 skematisk viser et snit gennem en udførelsesform for en højttaler med en membran ifølge opfindelsen, medens fig. 2 skematisk viser et snit gennem en anden udførelsesform for opfindelsen.

Den i fig. 1 viste højttaler er en bashøjttaler og omfatter en membran 1 med afstumpet konisk facon, selv om membranen i praksis vil have en hyperbolsk form, hvor membranen er afsluttet af en cylindrisk formet del, som ved hjælp af et tyndt lag lim 4 er fastgjort til en svingspoleform 3. Membranen 1 er ifølge opfindelsen fremstillet af polypropylen. Svingspoleformen bærer en svingspole 5, som består af et antal ledningsviklinger, som er anbragt i luftgabet mellem to polsko 6 og 7 af f.eks. blødt stål. Mellem polskoene findes en magnet 8, som kan være af ferrittypen. Ved den viste konstruktion er magneten en stangmagnet, som er anbragt på den cylindriske polsko 6 under polskoen 7. Svingspolen er anbragt i det cylindriske luftgab 9 med en frigang i forhold til polskoene på omkring 0,25 mm. For at svingspoleformen og dermed membranen skal kunne bevæge sig i nøjagtig lodret retning (fig. l), findes der et svingspolestyr 10, som også er fremstillet af polypropylen, og som forbinder svingspoleformen med polskoen 6. Ved hjælp af en ydre jconusring 12 er membranen 1 fastgjort foroven til en kappe 11, hvilken konusring er fremstillet af polypropylen ligesom membranen 1. Ringen 12 er fastlimet til membranen 1 og kappen 11. Kappen 11, som er en metalkonstruktion, er forneden fastgjort til polskoen 6.

For at forhindre støv i at komme ind i luftgabet 9 findes der en støvhætte 13, som fortrinsvis er lavet af polypropylen, og som lukker hen over membranen forneden af denne. Endvidere findes der et andet svingspolestyr 14, som fortrinsvis er fremstillet af polypropylen, og som er fastgjort rundt om membranen 1 og er lejret på kappen 11, således at dette sammen med svingspolestyret 10 medfører parallellogramkræfter, som hjælper til at stabilisere membranen og svingspoleformen 3· 148579 9 I fig. 2 er vist en højttaler af højtonetypen. Højttaleren omfatter en kuppelformet membran 19 af polypropylen, som har en cylindrisk formet del 20, der er fastgjort til en svingspoleform 21. Membranen 19*s svingspoleform og cylindriske del 20 er anbragt i luftgabet 22 mellem to polsko 23 og 24, mellem hvilke der er anbragt en ringmagnet 25. Det magnetiske kredsløb kan alternativt være udformet som vist i fig. 1. Svingspoleformen 21 strækker sig ned i et ringformet hulrum 26 og er forbundet til ringmagneten 25 ved hjælp af et svingspolestyr 27 af polypropylen. Svingspoleformen 21 er foroven fastgjort til polskoen 23 ved hjælp af et andet svingspolestyr 28 af polypropylen.

Det skal bemærkes, at mange af de på tegningen viste enkeltheder er vist skematisk, således at de afviger lidt fra de virkelige mål. Således vil f.eks. luftgabet og afstanden mellem membranen og svingspolefomen i praksis have andre mål, end det .fremgår af tegningen.