DE2738773A1

DE2738773A1 - Elektroakustischer wandler

Info

Publication number: DE2738773A1
Application number: DE19772738773
Authority: DE
Inventors: Yoshiaki Hara; Ichiro Horikoshi; Shigeo Mori; Fumikazu Murakami; Soya Takahashi
Original assignee: Seiko Instruments Inc
Current assignee: Seiko Instruments Inc
Priority date: 1976-09-01
Filing date: 1977-08-27
Publication date: 1978-03-09
Also published as: US4147899A; CH627336GA3; FR2363853A1; CH627336B; JPS5330296A; FR2363853B1; HK50082A; JPS5527359B2; GB1557635A; DE2738773C2

Description

DIPL.-PHYS. F. ENDLICH ο - to34 jnterpfaffenhofen 22. August 1977 S/g PATENTANWALT *°^ST"^C« 0 7 «* R 7 7 ?'

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DIPL.- PMVS. F. ENDLICH. O - 8Ο34 UNTERPFAFFENHOFEN, POSTF.

TELEX: B2 173Ο

Meine Akte: D-4309

Kabushiki Kaisha Oaini Seikosha, Tokyo, Japan

Elektroakustischer Wandler

Die Erfindung betrifft einen elektroakustischen Wandler gemäß des Oberbegriff des Hauptanspruchs.

Ein bereits bekannter elektroakustischer Wandler wird unter Bezugnahme auf die Fig. 1 bis 3 beschrieben. Ein Schwingsystem mit einem derartigen Wandler hat nur einen Freiheitsgrad, so daß die Schalldruck-Steuerfrequenzcharakteristiken nur eine in Fig. 2 gezeigte Resonanzstelle haben mit dem Ergebnis, daß das Frequenzband Δ f. zur Erzielung des Schalldruckes, der größer als ein vorbestimmter Schalldruck P_Q (Fig. 2) ist, äußerst schmal wird.

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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen elektroakustischer! Wandler zu schaffen, der die vorstehend angegebenen Nachteile und Schwierigkeiten beseitigt. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des Hauptanspruchs gelöst. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Mit dem erfindungsgemäßen Wandler läßt sich insbesondere eine Vergrößerung des Frequenzbandes erreichen. Die Vergrößerung des Frequenzbandes wird unter Ausnutzung der Resonanz erreicht.

Elektroakustisch^ Wandler, die als Tonquelle für tragbare Geräte kleiner Größe, beispielsweise Armbanduhren, Taschenuhren bzw. Taschenklingeln usw. verwendet werden, benutzen die Resonanz, um den Leistungsverbrauch zu begrenzen; ein derartiger Wandler, der die Resonanz ausnutzt, hat jedoch den Nachteil eines nicht ausreichenden Frequenzbandes. Die bekannten elektroakustischen Wandler haben nur einen Freiheitsgrad fUr das nechanische Schwingsystem und somit nur eine mechanische Resonanzfrequenz, wogegen beim erfindungsgemtißen Wandler, bei dem das Frequenzband verbreitert ist, zwei Freiheitsgrade für das mechanische Schwingsystem vorhanden sind. Der erfindungsgemäße Wandler liefert somit zwei mechanische Resonanzfrequenzen, wodurch das Frequenzband erweitert wird, indem ein im wesentlichen konstanter Schalldruck zwischen den beiden mechanischen Resonanzfrequenzen mit einer Schallwirkung erzeugt wird.

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Ia folgenden werden bevorzugte Ausfuhrungsformen der Erfindung anhand von Zeichnungen zur Erläuterung weiterer Merkmale beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 bis 3 Schnittansichten eines bekannten elektroakustischen Wandlers,

Fig. 5 eine Schnittansicht eines erfindungsgemäßen elektroakustischen Wandlers zur Erläuterung dessen Arbeitsweise,

Fig. 6 ein Diagramm zur Erläuterung der Arbeitsweise des Wandlers nach Fig. 5,

Fig. 7 eine Darstellung zur vereinfachten Erläuterung des durch den erfindungsgemäßen Wandler geschaf fenen Schwingsystems,

Fig. 8 ein weiteres Diagramm als Funktion der Amplitude der zweiten Schwingplatte,

Fig. 9 eine abgewandelte Ausfuhrungsform des Wandlers, und

Fig. 10 das Frequenz-Schalldruck-Diagramm fUr den Wandler nach Fig. 9.

Fig. 1 zeigt eine Schnittansicht eines bekannten Wandlers. Gemäß Fig. 1 besteht der Wandler aus einem Magnetkern 1,

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dessen mittlerer Pol aus weichmagnetischem Material besteht, einer Wicklung 2, einem Magneten 3, einer Lagerung bzw. Halterung 4, einer Schwingplatte 5, sowie einem Joch 6 aus weichmagnetischem Material, das an der Schwingplatte bzw. dem Schwinger 5 befestigt ist. Bei einem Wandler diesen Aufbaus wird bei Vorliegen eines Wechselstromflusses durch die Wicklung 2 eine Zug- oder Druckkraft auf das Joch 6 wirken, wodurch die Schwingplatte 5 in Schwingbewegung versetzt wird, so daß ein Ton hervorgerufen wird; dieses Schwingsystem hat jedoch nur einen Freiheitsgrad, so daß dessen Schalldruck-Steuerfrequenzcharakteristik eine Resonanzstelle hat, wie in Fig. 2 gezeigt ist; infolge dieser einzigen Resonanzstelle ist das Frequenzband Af., welches zur Erreichung des Schalldruckes erforderlich ist, der höher als ein vorbestimmter Schalldruck P ist (Fig. 2) ist, normalerweise sehr schmal.

Fig. 3 zeigt einen weiteren bekannten elektroakustisehen Wandler, mit dem eine Verbesserung des normalerweise schmalen Frequenzbandes erzielt wird. In Fig. 3 eingetragene, gegenüber Fig. 1 gleiche Bezugszeichen bezeichnen gleiche Teile. Bei diesem Wandler ist ein akustisches Gehäuse bzw. Schallgehäuse 7 vorgesehen, das eine einen Ton ausstrahlende öffnung 7a enthält. Mit 8 ist ein Zwischenraum bezeichnet, der durch das Schallgehäuse 7 und die Schwingplatte 5 gebildet wird. Ein derartiger sogenannter Helmholtz-Resonator besteht aus der den Ton bzw. den Schall abstrahlenden Öffnung 7a und dem Zwischenraum des Wandlers und liefert die in Fig. 4 gezeigte Schalldruck-Steuerfrequenz-Charakteristik, indem die Resonanzfrequenz der Schwingplatte durch

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geeigneten Aufbau der Helmholtz-Resonanzfrequenz angenähert wird, so daß das Frequenzband Af« Ober den vorbestimmten Schalldruck P gegenüber dem Frequenzband Af. des in Fig. 1 gezeigten Wandlers wesentlich verbessert bzw. erweitert wird. Der in Fig. 3 gezeigte Wandler arbeitet zufriedenstellend für die eine oder andere Steuerfrequenz, jedoch ist dieser Aufbau dann nicht zufriedenstellend, wenn Töne unterschiedlicher Frequenz erzeugt werden sollen, beispielsweise Töne mit unterschiedlicher Frequenz, die sich gegenseitig zwischen einer halben und einer Oktave unterscheiden.

Die Fig. 5 bis 10 zeigen Ausführungsformen des erfindungsgemäßen elektroakustisehen Wandlers, der den vorstehend genannten Anforderungen entspricht und ein breites Frequenzband liefert.

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Fig. 5 zeigt eine Schnittansicht des mechanischen Schwingsystems mit zwei Freiheitsgraden. Die mit dem Wandler nach Fig. 1 gleichen Teile sind mit gleichen Bezugsziffern bezeichnet. Der wesentliche Unterschied des Wandlers nach Fig. 5 gegenüber dem Wandler nach Fig. 1 besteht in der Anordnung einer zweiten Schwingplatte 9, die der Schwingplatte 5 gegenüberliegend angeordnet ist, welche vom Joch 6 elektromagnetisch aktiviert wird. Ein wesentliches Merkmal ist darin zu sehen, daß die Schwingplatte 5 und die zweite Schwingplqtte 9 des Wandlers durch eine "Luftfeder" miteinander gekoppelt sind, die sich aufgrund eines luftdichten Zwischenraums 10 ergibt. Wenn bei einem derartigen elektroakustischen Wandler ein Wechselstrom durch die

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Wicklung 2 fließt, wird die Schwingplatte 5 zusammen mit dem Joch 6 bewegt und es wird ein Ton nicht von der Schwingplatte 5, sondern durch die Schwingung der zweiten Schwingplatte 9 erzeugt, die durch den luftdichten Zwischenraum 10 mit der ersten Schwingplatte 5 in einer Luftfeder-Kopplung steht. Die Schalldruck-Steuerfrequenz-Charakteristik des in Fig. 5 gezeigten Wandlers liefert zwei Resonanzstellen, wie aus Fig. 6 hervorgeht.

Die in Fig. 6 gezeigte Charakteristik wird nachfolgend unter Bezugnahme auf Fig. 7 und 8 näher beschrieben. Das Schwingsystem nach Fig. 5 entspricht dem Ersatzschaltbild, wie es in Fig. 7 dargestellt ist. Mit M, K und x_M sind die Ersatzmasse, die äquivalente Federkonstante bzw. die Amplitude der Schwingplatte 5 mit den Joch 6 (vgl. Fig. 5) bezeichnet, während mit m, k, und χ die Ersatzmasse, die äquivalente Federkonstante und die Amplitude der Schwingplatte 9 in

Fig. 5 angegeben sind; k bezeichnet die Luftfederkonstante

des Zwischenraums 10 in Fig. 5. Diese Faktoren sind wesentliche Komponenten des Schwingsystems; somit müssen der Dämpfungswiderstand, die Schallimpedanz usw. in Betracht gezogen werden; diese Faktoren werden jedoch aus GrUnden einer vereinfachten Beschreibung der Erfindung nicht erläutert.

Das Ergebnis einer durch eine wechselnde Kraft erzeugten Schwingung bzw. Schwingkraft F sin tot, die an die Masse M des Schwingsystems angelegt wird, wird durch nachfolgende Gleichung dargestellt:

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Kk + Kko + kko
⁺ M

koF n 4 , k + ka k + ka χ„2 Kk + Kka + kka

Mn 'I⁴" ^v M ^τ η ' Mn

Vorstehende Gleichung zeigt, daß zwei Resonanzstellen erhalten werden; die Amplituden-Steuerfrequenz-Kennlinie ist in Fig. 8 dargestellt.

Un den in Fig. 6 gezeigten Schalldruck zu erreichen, muß die Amplitude χ der zweiten Schwingplatte 9, die in Fig. 8 dargestellt ist, beachtet werden. Die Resonanzfrequenzen f, und fo (FiQ· 8) können durch entsprechende Wahl der Konstanten des Schwingsystems von Fig. 7 weitgehend aneinander angenähert werden, jedoch fallen diese Frequenzwerte nicht vollständig zusammen, wenn nicht die äquivalente (lasse η (η = θ) wird, so daß ständig zwei Resonanzstellen erzeugt werden.

Der Schalldruck ist an diesen beiden Resonanzstellen des Schwingsystems sehr groß, jedoch sind nur die Frequenzbänder Af~| und Δf«λ (Fig. 6) normalerweise verwendbar und daher nicht zufriedenstellend. Erfindungswesentlich ist, daß dies durch den akustischen Effekt kompensiert wird, um das Frequenzband in ausreichender Weise zu verbreitern, wie dies unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben ist.

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Fig. 9 zeigt eine Schnittansicht einer abgewandelten Ausführungsform des Wandlers. Diese AusfUhrungsform ist mit einem Schallgehäuse 7 zusätzlich zu dem in Fig. 5 gezeigten Aufbau versehen; gleiche Bezugszeichen sind für gleiche Teile verwendet, so daß eine weitere Beschreibung des Wandlers nicht erforderlich ist.

Wenn die Helmholtz-Resonanzfrequenz zwischen den mechanischen Resonanzfrequenzen f. und f~ der zweiten Schwingplatte liegt, wie dies unter Bezugnahme auf Fig. 8 für den Wandler nach Fig. angegeben ist, ergibt sich eine Schalldruck-Steuerfrequenz-Charakteristik entsprechend Fig. 10; der Schalldruckwert für das FrequenzbandΔfj liegt dabei über dem vorgewählten Schalldruckpegel P , wobei das Frequenzband Af. die in Fig. 10 gezeigte Breite hat.

Vorstehende Beschreibung macht deutlich, daß der gleiche Effekt, der bei einen elektromechanischen Wandler erreichbar ist, auch dann erhalten wird, wenn ein anderer elektromechanischer Wandler, beispielsweise ein piezoelektrischer Wandler, dynamischer Wandler o. dgl. verwendet wird.

Es ist schließlich ein elektroakustischer Wandler bekannt, der mit einer dünnen Kunststoffschicht bzw. einem Kunststoffilm o. dgl. versehen ist, welche bzw. welcher an der gleichen Stelle, die der zweiten Schwingplatte 9 entspricht, angeordnet ist; diese Kunststoffschicht liefert einen Widerstand gegen Feuchtigkeit bzw. einen Staubschutz u. dgl.. Somit ist diese Anordnung nicht vergleichbar mit dem erfindungsgemäßen Wandler und entspricht vielmehr einem Wandler, bei dem die äquivalente Masse m

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der zweiten Schwingplatte in Fig. 7 nahezu Null ist. Mit einem derartigen bekannten Wandler läßt sich keine Vergrößerung des Frequenzbandes erreichen.

Es ist zu beachten, daß der erfindungsgemäße Wandler nicht darauf beschränkt ist, daß er in Form eines Helraholtz-Resonators aufgebaut bzw. betrieben wird. Wesentlich ist vielmehr die Anordnung einer Luftkammer mit einer schallabstrahlenden öffnung in Resonator.

Bei dem erfindungsgemäßen Wandler wird die Resonanz dafUr verwendet, das Frequenzband breiter zu gestalten, so daß eine Vielfalt von Tonfarben mit geringem Leistungsverbrauch erzeugt werden können, so daß eine Vielzahl von Funktion bei tragbaren Geräten kleiner Größe, beispielsweise einer Armbanduhr, einer Taschenuhr bzw. einer Taschenglocke ausfuhrbar sind.

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Claims

DIPL.-PHYS. F. ENDLICH d tos.» unterpfaffenhofen 22. August 1977 S/gs PATENTANWALT postfach »? ? 7 1 R 7 7 *3 MÜNCHEN DIPU-PHVS. F. ENDLICH. D-BO34 UNTERPFAFFENHOFEN. POSTF. TELEX: 52I73O Meine Akte: D-4309 Kabushiki Kaisha Daini Seikosha, Tokyo, Japan Patentansprüche

1. Elektroakustischer Wandler bestehend aus einer ersten und zweiten Schwingplatte, wobei die erste Schwingplatte elektromagnetisch in Schwingung versetzbar ist, dadurch gekennzeichnet , daß eine durch einen luftdichten Zwischenraum (8) gebildete Luftfeder zur Kopplung der ersten und zweiten Schwingplatte (5, 9) vorgesehen ist, und daß die zweite Schwingplatte (9) an der Wandler-Außenseite angeordnet ist.

2. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Resonator mit einer Luftkammer vorgesehen ist, die eine schallabstrahlende Öffnung (7a) aufweist.

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3. Wandler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Resonator durch ein Schallgehäuse (7) gebildet ist.

4. Wandler nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Resonanzfrequenz des Resonators zwischen den beiden Resonanzfrequenzen des Schwingsystems von den ersten und zweiten Schwingplatten und der Luftfeder bestimmt ist.

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