MEMS-LAUTSPRECHERANORDNUNG MIT EINEM SCHALLERZEUGER UND EINEM SCHALLVERSTÄRKER

Beschreibung

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft eine MEMS-Lautsprecheranordnung zum Erzeugen von Schallwellen im hörbaren Wellenlängenspektrum mit einem Gehäuse, das einen Schallleitkanal und eine am Ende des Schallleitkanals angeordnete Schallaustrittsöffnung aufweist, mit zumindest zwei MEMS-Lautsprechern, die derart im Inneren des Gehäuses angeordnet sind, dass die von den MEMS-Lautsprechern erzeugten Schallwellen über den gemeinsamen Schallleitkanal zu der gemeinsamen Schallaustrittsöffnung führbar sind, und mit einer Steuereinheit zum Ansteuern der beiden MEMS-Lautsprecher. Des Weiteren betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen MEMS-Lautsprecheranordnung.

[0002] Die Bezeichnung MEMS steht für mikroelektromechanische Systeme. MEMS-Lautsprecher bzw. Mikrolautsprecher ist beispielsweise aus der DE 10 2012 220 819 A1 bekannt. Die Schallerzeugung erfolgt über eine schwingbar gelagerte Membran des MEMS-Lautsprechers. Ein derartiger Mikrolautsprecher muss in der Regel eine hohe Luftvolumenverschiebung erzeugen, um einen signifikanten Schalldruckpegel zu erreichen. Bekannte MEMS-Lautsprecher weisen den Nachteil auf, dass diese ein relativ großes Bauvolumen aufweisen müssen, um einen ausreichenden Schalldruckpegel erreichen zu können.

[0003] DE 10 2012 216 996 A1 zeigt einen MEMS Lautsprecher, der eine Vertiefungen und Erhebungen aufweisende Oberflächenstruktur hat und der gegebenenfalls als ein Array vieler Lautsprecher ausgeführt werden kann.

[0004] Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Nachteile des Stands der Technik zu beseitigen.

[0005] Die Aufgabe wird gelöst durch eine MEMS-Lautsprecheranordnung sowie mit einem Verfahren zum Betreiben einer derartigen MEMS-Lautsprecheranordnung mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche.

[0006] Vorgeschlagen wird eine MEMS-Lautsprecheranordnung zum Erzeugen von Schallwellen im hörbaren Wellenlängenspektrum. Sie umfasst ein Gehäuse, das einen Schallleitkanal und eine am Ende des Schallleitkanals angeordnete Schallaustrittsöffnung aufweist. Des Weiteren umfasst die MEMS-Lautsprecheranordnung zumindest zwei MEMS-Lautsprecher. Diese sind derart im Inneren des Gehäuses angeordnet, dass die von den MEMS-Lautsprechern erzeugten Schallwellen über den gemeinsamen Schallleitkanal zu der gemeinsamen Schallaustrittsöffnung führbar sind. Auch umfasst die MEMS-Lautsprecheranordnung eine Steuereinheit zum Ansteuern der MEMS-Lautsprecher. Von den zumindest zwei MEMS-Lautsprechern ist einer der beiden dem anderen in Richtung der Schallaustrittsöffnung nachgelagert. Hierdurch kann der nachgelagerte MEMS-Lautsprecher auf die vom vorgelagerten MEMS-Lautsprecher erzeugten Schallwellen Einfluss nehmen, da diese aufgrund des gemeinsamen Schallleitkanals an ihm vorbeigeführt werden. Die Steuereinheit ist derart ausgebildet, dass mittels dieser zur Erhöhung der Maximallautstärke der MEMS-Lautsprecheranordnung die beiden MEMS-Lautsprecher derart ansteuerbar sind, dass der erste der zumindest zwei MEMS-Lautsprecher - d.h. derjenige MEMS-Lautsprecher, dessen Schallwellen den längeren Weg bis zur gemeinsamen Schallaustrittsöffnung zurücklegen müssen - als Schallerzeuger zum Erzeugen einer Anfangswelle und der diesem nachgelagerte zweite MEMS-Lautsprecher - d.h. derjenige MEMS-Lautsprecher dessen Schallwellen im Vergleich zum ersten MEMS-Lautsprecher einen kürzeren Weg bis zur Schallaustrittsöffnung zurücklegen müssen - als Schallverstärker zum Verstärken dieser Anfangswelle ausgebildet ist. Hierdurch kann vorteilhafterweise der Schalldruck der MEMS-Lautsprecheranordnung erhöht werden, wodurch die Maximallautstärke gesteigert werden kann. Neben dieser Leistungssteigerung kann durch eine derartige Ausbildung der MEMS-Lautsprecheranordnung ferner ihr Bauvolumen klein gehalten werden. Die Folge ist demnach eine kompakte MEMS-Lautsprecheranordnung mit einer sehr guten akustischen Leistungsfähigkeit.

[0007] Vorteilhaft ist es, wenn sich eine Membranauslenkungsachse zumindest eines MEMS-Lautsprechers quer zum Schallleitkanal und/oder zu einer Längsachse des Gehäuses erstreckt. Hierdurch kann die MEMS-Lautsprecheranordnung sehr kompakt ausgebildet werden. Des Weiteren können beliebig viele MEMS-Lautsprecher in Reihe geschalten werden.

[0008] Auch ist es vorteilhaft, wenn die Länge des Schallleitkanals vom Schallerzeuger bis zur gemeinsamen Schallaustrittsöffnung größer ist als vom Schallverstärker bis zur Schallaustrittsöffnung. Hierdurch müssen die vom Schallerzeuger erzeugten Schallwellen einen längeren Weg im gemeinsamen Schallleitkanal zurücklegen als die vom Schallverstärker erzeugten Schallwellen. Des Weiteren werden die vom Schallerzeuger erzeugten Schallwellen hierdurch am nachgelagerten Schallverstärker vorbeigeführt, so dass über diesen auf die vom Schallerzeuger erzeugten Schallwellen Einfluss genommen werden kann. Infolgedessen kann durch entsprechende Ansteuerung des Schallverstärkers eine Amplitudenerhöhung der vom Schallerzeuger ausgesendeten Anfangswelle bewirkt werden.

[0009] Um die Beeinflussung der in den Schallleitkanal eingebrachten Schallwellen durch die Raumgeometrie des Schallleitkanals möglichst gering zu halten, ist es vorteilhaft, wenn sich der Schallleitkanal in Längsrichtung der MEMS-Lautsprecheranordnung erstreckt und/oder zumindest im Bereich der MEMS-Lautsprecher geradlinig, insbesondere mit ebenen und/oder zueinander parallelen Seitenwänden, ausgebildet ist. Diesbezüglich ist es insbesondere vorteilhaft, wenn der Schallleitkanal im Wesentlichen eine quaderförmige Geometrie aufweist. In diesem Fall sind die MEMS-Lautsprecher vorzugsweise, insbesondere an derselben, Seitenwand des quaderförmigen Schallleitkanals angeordnet.

[0010] Die MEMS-Lautsprecheranordnung kann sehr kompakt und konstruktiv einfach ausgebildet werden, wenn die gemeinsame Schallaustrittsöffnung an einem Ende, insbesondere an einer Stirnseite, des Gehäuses ausgebildet ist.

[0011] Vorteilhaft ist es, wenn der Schallerzeuger und der Schallverstärker nebeneinander angeordnet sind. Auch ist es vorteilhaft, wenn diese derart zueinander angeordnet sind, dass sich ihre Membranauslenkungsachsen zueinander parallel und/oder lotrecht zu einer Längsachse des Gehäuses erstrecken. Hierdurch können störende Einflussfaktoren auf die Schallausbreitung im Schallleitkanal reduziert werden.

[0012] In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weisen der Schallerzeuger und der zumindest eine Schallverstärker, insbesondere auf ihrer dem Schallleitkanal abgewandten Seite, eine gemeinsame Kavität auf. Diese ist vorzugsweise zumindest teilweise durch einen Gehäusehohlraum ausgebildet. Zusätzlich kann die Kavität durch einen Trägersubstrathohlraum des jeweiligen MEMS-Lautsprechers erweitert sein.

[0013] Ferner erstreckt sich diese gemeinsame Kavität vorzugsweise über die gesamte Breite aller entlang des Schallleitkanals angeordneter MEMS-Lautsprecher. Dadurch, dass sich mehrere MEMS-Lautsprecher eine gemeinsame Kavität teilen, kann vorteilhafterweise die Federwirkung der Luft innerhalb der Kavität reduziert werden, da das Kavitätsvolumen jedes einzelnen MEMS-Lautsprechers auf das gesamte Volumen der gemeinsamen Kavität vergrößert ist.

[0014] Zur Erzeugung einer konstruktiven Interferenz, bei der die Amplitude einer Schallwelle erhöht wird, ist es vorteilhaft, wenn der Schallerzeuger und der zumindest eine Schallverstärker im selben Frequenzbereich arbeiten.

[0015] Ferner ist es zur Steuerung einer optimalen Überlagerung zweier Schallwellen vorteilhaft, wenn der Schallerzeuger und der zumindest eine Schallverstärker zueinander unterschiedliche akustische Eigenschaften aufweisen. Demnach ist es insbesondere vorteilhaft, wenn diese zueinander unterschiedliche Membrangrößen und/oder maximale Membranauslenkbarkeiten aufweisen.

[0016] Vorteilhaft ist es, wenn der Schallerzeuger und der Schallverstärker als separate Bauteile ausgebildet sind. In diesem Fall weist jeder von diesen vorzugsweise eine eigene Membran auf. Diese ist ferner insbesondere durch einen Trägerrahmen entlang ihrer Membranauslenkungsachse schwingbar gehalten.

[0017] Alternativ oder zusätzlich ist es ebenso vorteilhaft, wenn zumindest zwei MEMS-Lautsprecher als ein einziges Bauteil mit einer gemeinsamen Membran ausgebildet sind, wobei vorzugsweise jedem dieser MEMS-Lautsprecher ein separat ansteuerbarer und/oder voneinander schwingungsentkoppelter Membranbereich zugeordnet ist.

[0018] Vorteilhaft ist es, wenn der Schallerzeuger mittels der Steuereinheit zu einem ersten Zeitpunkt derart ansteuerbar ist, dass in den Schallleitkanal eine Anfangswelle einbringbar ist. Diesbezüglich ist es ferner vorteilhaft, wenn mittels der Steuereinheit die Membran oder alternativ der Membranbereich des Schallerzeugers zum Erzeugen der Anfangswelle in den Schallleitkanal hineinbewegbar ist.

[0019] Um eine möglichst genaue Überlagerung zweier Schallwellen zur Erzeugung einer konstruktiven Interferenz sicherstellen zu können, ist es vorteilhaft, wenn mittels der Steuereinheit - insbesondere in Abhängigkeit des ersten Zeitpunktes und/oder der Schallleitkanallänge zwischen Schallerzeuger und Schallverstärker - ein zweiter Zeitpunkt zum Ansteuern des nachgelagerten Schallverstärkers, d.h. insbesondere dessen Membran, bestimmter ist.

[0020] Zur Verstärkung der Lautstärke ist es vorteilhaft, wenn mittels der Steuereinheit der Schallverstärker, insbesondere zu dem zuvor von der Steuereinheit bestimmten zweiten Zeitpunkt, derart ansteuerbar ist, dass mittels diesem eine Überlagerungswelle erzeugbar ist, so dass aus der Anfangswelle und der Überlagerungswelle eine resultierende Welle mit im Vergleich zur Anfangswelle höherer Amplitude erzeugbar ist. Diesbezüglich ist es ferner vorteilhaft, wenn bei entsprechender Ansteuerung des Schallverstärkers dessen Membran und/oder zugeordneter Membranbereich zum Erzeugen der Überlagerungswelle in den Schallleitkanal hineinbewegbar ist.

[0021] Auch ist es vorteilhaft, wenn mittels der Steuereinheit zum zweiten Zeitpunkt auch noch die Membran des Schallerzeugers in den Schallleitkanal hineingedrückt bleibt, so dass vermieden wird, dass beim Auslenken des Schallverstärkers Luft zurück in Richtung des Schallerzeuger gedrückt wird. Hierdurch kann vorteilhafterweise das in Richtung der Schallaustrittsöffnung bewegte Luftvolumen erhöht werden.

[0022] In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist die MEMS-Lautsprecheranordnung einen zweiten Schallverstärker auf. Hierdurch kann die bereits durch den ersten Schallverstärker verstärkte Schallwelle nochmals verstärkt werden. Diesbezüglich ist es insbesondere vorteilhaft, wenn der zweite Schallverstärker dem ersten Schallverstärker in Richtung der Schallaustrittsöffnung nachgelagert ist. Hierdurch kann der zweite Schallverstärker auf die durch den ersten Schallverstärker verstärkten Schallwellen Einfluss nehmen.

[0023] Vorteilhaft ist es, wenn mittels der Steuereinheit zu einem, insbesondere von ihr bestimmten, dritten Zeitpunkt der Schallerzeuger derart ansteuerbar sind, dass dessen Membran wieder in ihre Ruhelage zurückbewegbar ist. Zusätzlich oder alternativ ist es ferner vorteilhaft, wenn die Membran des zweiten Schallverstärkers zum Erzeugen einer zweiten Überlagerungswelle in den Schallleitkanal hineinbewegbar ist, so dass aus der ersten resultierenden Welle und der zweiten Überlagerungswelle eine zweite resultierende Welle mit im Vergleich zur ersten resultierenden Welle höherer Amplitude erzeugbar ist. Zur Erzielung einer Blockadewirkung bleibt zum dritten Zeitpunkt der erste Schallverstärker vorzugsweise angesteuert.

[0024] Zur Erzielung einer konstruktiven Interferenz ist es vorteilhaft, wenn die Anfangswelle, die zumindest eine Überlagerungswelle und die zumindest eine resultierende Welle die gleiche Frequenz aufweisen.

[0025] Vorgeschlagen wird ferner ein Verfahren zum Betreiben einer MEMS-Lautsprecheranordnung gemäß der vorangegangenen Beschreibung, wobei die genannten Verfahrensmerkmale einzeln oder in beliebiger Kombination vorhanden sein können.

[0026] Weitere Vorteile der Erfindung sind in den nachfolgenden Ausführungsbeispielen beschrieben. Es zeigt:

Figur 1

einen Längsschnitt durch eine MEMS-Lautsprecheranordnung mit einem als Schallerzeuger und zwei als Schallverstärker ausgebildeten MEMS-Lautsprechern und

Figuren 2a - 2c

die Funktionsweise der in Figur 1 dargestellten MEMS-Lautsprecheranordnung zur Erhöhung der Maximallautstärke.

[0027] Figur 1 zeigt eine MEMS-Lautsprecheranordnung 1, mittels der Schallwellen im hörbaren Wellenlängenspektrum erzeugbar sind. Sie umfasst ein Gehäuse 2, das vorzugsweise zumindest teilweise aus Silizium hergestellt ist. Im Inneren des Gehäuses 2 sind mehrere MEMS-Lautsprecher 3 angeordnet, von denen zur Wahrung der Übersichtlichkeit lediglich einer mit Bezugszeichen versehen ist.

[0028] Das Gehäuse 2 ist vorzugsweise mehrteilig ausgebildet, um die Montage der MEMS-Lautsprecher 3 zu erleichtern. Diesbezüglich ist es beispielsweise denkbar, dass das Gehäuse 2 ein insbesondere aus Silizium gefertigtes Gehäusemittelteil und/oder einen Gehäuserahmen umfasst, in dem die MEMS-Lautsprecher 3 form-, kraft- und/oder stoffschlüssig befestigt sind. Um einen geschlossenen Gehäuseinnenraum zu schaffen, kann das Gehäusemittelteil und/oder der Gehäuserahmen auf seiner Ober- und/oder Unterseite mit einem Deckel verschlossen sein. Um eine akustische Anregung des zumindest einen Deckels vermeiden zu können, ist es vorteilhaft, wenn dieser aus einem im Vergleich zum Gehäusemittelteil und/oder Gehäuserahmen steiferen Material, insbesondere einem Metall, einer Keramik und/oder einem Verbundwerkstoff, hergestellt ist.

[0029] Gemäß dem in Figur 1 dargestellten Ausführungsbeispiel weist die MEMS-Lautsprecheranordnung 13 insgesamt drei MEMS-Lautsprecher 3 auf, wobei ebenso auch Varianten mit nur zwei oder aber auch mehr als drei MEMS-Lautsprechern 3 denkbar sind. Wie aus Figur 1 ersichtlich ist, sind diese MEMS-Lautsprecher 3 als separate Bauteile ausgebildet. So umfasst jeder dieser MEMS-Lautsprecher 3 einen, insbesondere aus Silizium gefertigten, Trägerrahmen 4. Dieser nimmt eine Membran 5 derart auf, dass diese durch eine elektrische Ansteuerung entlang einer Membranauslenkungsachse 6 ausgelenkt werden kann. Die MEMS-Lautsprecher 3 arbeiten alle im selben Frequenzbereich. Sie können jedoch entgegen der vorliegenden exemplarischer Darstellung unterschiedlich große Membranflächen aufweisen. Des Weiteren können die MEMS-Lautsprecher 3 zueinander auch unterschiedlich stark auslenkbare Membrane 5 aufweisen.

[0030] Auch ist es denkbar, dass zumindest zwei MEMS-Lautsprecher 3 nicht als, wie in Figur 1 dargestellt, separate Bauteile, sondern als ein einziges Bauteil ausgebildet sind. In diesem Fall würden die MEMS-Lautsprecher eine gemeinsame Membran aufweisen, wobei jedem dieser MEMS-Lautsprecher ein separat ansteuerbarer und/oder voneinander schwingungsentkoppelter Membranbereich zugeordnet wäre.

[0031] Die MEMS-Lautsprecher 3 sind gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel nebeneinander angeordnet. Ihre Membranen 5 sind somit in dieselbe Richtung auslenkbar. Des Weiteren weisen die MEMS-Lautsprecher 3 zueinander äquidistante Abstände auf. Ihre jeweiligen Membranauslenkungsachsen 6, von denen zur Wahrung der Übersichtlichkeit jeweils nur eine dargestellt ist, sind zueinander parallel ausgerichtet. Des Weiteren sind die MEMS-Lautsprecher 3 derart im Inneren des Gehäuses 2 angeordnet, dass deren jeweilige Membranauslenkungsachse 6 lotrecht zur Längsachse 7 des Gehäuses 2 ausgerichtet ist.

[0032] Die MEMS-Lautsprecher 3 weisen einen gemeinsamen Schallleitkanal 8 auf. Dieser erstreckt sich gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel parallel zur Längsachse 7 des Gehäuses 2. Der Schallleitkanal 8 ist geradlinig ausgebildet und/oder parallel zur Längsachse 7 ausgerichtet. Des Weiteren ist der Schallleitkanal 8 vorzugsweise im Wesentlichen quaderförmig ausgebildet. Er weist demnach ebene sich in Längsrichtung erstreckende Seitenwände auf. Des Weiteren weist der Schallleitkanal 8 über seine gesamte Länge eine konstante Höhe und/oder Breite auf.

[0033] Die MEMS-Lautsprecher 3 sind längs des Schallleitkanals 8 hintereinander angeordnet. Die Membranauslenkungsachsen 6 der MEMS-Lautsprecher 3 erstrecken sich demnach quer zum gemeinsamen Schallleitkanal 8.

[0034] Wie aus dem in Figur 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ersichtlich ist, weisen die MEMS-Lautsprecher 3 eine gemeinsame Kavität 9 auf. Die Kavität 9 ist auf der dem Schallleitkanal 8 abgewandten Seite der MEMS-Lautsprecher 3 angeordnet. Sie ist zumindest teilweise durch einen Gehäusehohlraum ausgebildet. Die gemeinsame Kavität 9, insbesondere der Gehäusehohlraum, ist vorzugsweise als Quader ausgebildet und/oder erstreckt sich in Längsrichtung des Gehäuses 2 über alle MEMS-Lautsprecher 3 hinweg. Die Kavität 9 ist parallel zum Schallleitkanal 8 ausgerichtet.

[0035] Das Gehäuse 2 weist eine Schallaustrittsöffnung 10 auf. Sie ist am Ende des gemeinsamen Schallleitkanals 8 angeordnet, so dass alle MEMS-Lautsprecher 3 eine einzige Schallaustrittsöffnung 10 teilen. Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die gemeinsame Schallaustrittsöffnung 10 an einer Stirnseite 11 des im Wesentlichen quaderförmigen Gehäuses angeordnet.

[0036] Gemäß der vorangegangenen Beschreibung sind die MEMS-Lautsprecher 3 somit derart über die Länge des gemeinsamen Schallleitkanals 8 verteilt angeordnet, dass diese zur gemeinsamen Schallaustrittsöffnung 10 unterschiedlich lange Schallleitkanalabschnitte aufweisen. So ist die Länge des Abschnitts des Schallleitkanals 8 zwischen dem abbildungsgemäßen linken MEMS-Lautsprecher 3 und der Schallaustrittsöffnung 10 größer als der Abschnitt des Schallleitkanals 8 zwischen dem mittleren und/oder rechten MEMS-Lautsprecher 3 und der gemeinsamen Schallaustrittsöffnung 10. Die vom linken MEMS-Lautsprecher 3 erzeugten Schallwellen müssen demnach im Vergleich zu den anderen MEMS-Lautsprechern 3 eine längere Strecke im Schallleitkanal 8 zurücklegen, um zur gemeinsamen Schallaustrittsöffnung 10 zu gelangen.

[0037] Die MEMS-Lautsprecher 3 sind über eine hier nicht dargestellte Steuereinheit derart ansteuerbar, dass eine vom ersten, insbesondere am weitesten von der Schallaustrittsöffnung 10 entfernten, MEMS-Lautsprecher 3 erzeugte Schallwelle durch die ihm nachgelagerten MEMS-Lautsprecher 3 verstärkt wird. Infolgedessen weist die MEMS-Lautsprecheranordnung 1 zumindest einen als Schallerzeuger 12 und Schallverstärker 13, 14 ausgebildeten MEMS-Lautsprecher 3 auf. Gemäß dem in Figur 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist der den längsten Schallleitkanalabschnitt aufweisende MEMS-Lautsprecher 3 - d.h. abbildungsgemäßen der linke MEMS-Lautsprecher 3 - als Schallerzeuger 12 ausgebildet. Die diesen Schallerzeuger 12 nachgeschalteten MEMS-Lautsprecher 3 sind folglich als Schallverstärker 13, 14 ausgebildet. Im Folgenden wird der dem Schallerzeuger 12 benachbarte MEMS-Lautsprecher 3 als erster Schallverstärker 13 und der dem ersten Schallverstärker 13 nachgeschaltete MEMS-Lautsprecher 3 als zweiter Schallverstärker 14 bezeichnet.

[0038] Die Funktionsweise der MEMS-Lautsprecheranordnung 1 zur Erhöhung der Maximallautstärke ist in den Figuren 2a, 2b und 2c veranschaulicht. Demnach wird gemäß Figur 2a zu einem ersten Zeitpunkt der Schallerzeuger 12 angesteuert, wodurch eine im Folgenden als Anfangswelle 15 bezeichnete Schallwelle erzeugt wird. Zur Erzeugung der Anfangswelle 15 bewegt sich demnach die Membran 5 des Schallerzeugers 12 in den Schallleitkanal 8 hinein, wodurch ein bestimmtes Luftvolumen in Richtung der Schallaustrittsöffnung 10 verdrängt wird. Es versteht sich von selbst, dass die in den Figuren 2a bis 2c schematisch dargestellten Schallwellen weder von ihrem Maßstab noch von ihrer Kontur einer in der Realität erzeugten Schallwelle entsprechen.

[0039] Der hier nicht dargestellten Steuereinheit sind mehrere Parameter bezüglich der räumlichen und/oder körperlichen Ausgestaltung des gemeinsamen Schallleitkanals 8 und/oder der MEMS-Lautsprecher 3 bekannt. Die Steuereinheit ist somit in der Lage, insbesondere in Abhängigkeit des ersten Zeitpunkts und/oder der Schallkanallänge zwischen Schallerzeuger 12 und erstem Schallverstärker 13, einen zweiten Zeitpunkt zum Ansteuern des dem Schallerzeuger 12 nachgeschalteten ersten Schallverstärkers 13 zu bestimmen.

[0040] Dieser zweite Zeitpunkt ist gemäß Figur 2b von der Steuereinheit derart gewählt, dass sich eine vom ersten Schallverstärker 13 erzeugte erste Überlagerungswelle 16 der Anfangswelle 15 überlagert. Die Steuereinheit ist somit in der Lage den ersten Schallverstärker 13 derart anzusteuern, dass eine konstruktive Interferenz erzeugt wird. Infolgedessen wird die Amplitude der Anfangswelle 15 durch die erste Überlagerungswelle 16 erhöht. Hierdurch wird eine erste resultierende Welle 17 erzeugt, die im Vergleich zur Anfangswelle 15 eine höhere Amplitude aufweist. Die Amplitude der ersten resultierenden Welle 17 entspricht hierbei der Summe aus Anfangswelle 15 und erster Überlagerungswelle 16.

[0041] In Figur 2b ist zu erkennen, dass zumindest während der Auslenkungsphase des ersten Schallverstärkers 13 auch noch der Schallerzeuger 12 ausgelenkt ist. Hierdurch kann vermieden werden, dass die Luft beim Auslenken des Schallverstärkers 13 wieder in Richtung des Schallerzeugers 12 gedrückt wird. Stattdessen bildet die Membran 5 des noch angesteuerten Schallerzeugers 12 eine Raumblockade, wodurch sichergestellt ist, dass beim Auslenken des ersten Schallverstärkers 13 möglichst viel Luft in Richtung der gemeinsamen Schallaustrittsöffnung 10 gedrückt wird.

[0042] Gemäß Figur 2c kann diese erste resultierende Welle 17 ein weiteres Mal durch den dem ersten Schallverstärker 13 nachgelagerten zweiten Schallverstärker 14 verstärkt werden. Hierfür bestimmt die Steuereinheit in vergleichbarer Art und Weise einen dritten Zeitpunkt, zu dem der zweite Schallverstärker 14 angesteuert werden soll. Zur Bestimmung dieses dritten Zeitpunkts ist der Steuereinheit zumindest die Länge des Schallleitkanals 8 zwischen den beiden Schallverstärker 13, 14 bekannt. Zur zusätzlichen Verstärkung der ersten resultierenden Welle 17 wird dieser gemäß Figur 2c eine zweite Überlagerungswelle 18 überlagert, wodurch eine zweite resultierende Welle 19 erzeugt wird.

[0043] Analog zur vorangegangenen Beschreibung bleibt auch bei dieser zweiten Verstärkung während der Auslenkung des zweiten Schallverstärkers 14 der erste Schallverstärker 13 angesteuert, so dass dessen Membran als Blockade wirkt. Somit kann die Luft nicht zurück in den Schallleitkanal 8 strömen, sondern wird in Richtung der Schallaustrittsöffnung 10 gedrückt.

[0044] Zugleich wird, wie in Figur 2c ersichtlich ist, der Schallerzeuger 12 wieder in seine Ausgangslage bewegt, wobei dies aufgrund der gemeinsamen Kavität 9 und den ausgelenkten Schallverstärkern 13, 14, mit reduzierter Kraft erfolgen kann.

[0045] Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die dargestellten und beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Abwandlungen im Rahmen der Patentansprüche sind ebenso möglich wie eine Kombination der Merkmale, auch wenn diese in unterschiedlichen Ausführungsbeispielen dargestellt und beschrieben sind.

Bezugszeichenliste

[0046] 

1

MEMS-Lautsprecheranordnung

2

Gehäuse

3

MEMS-Lautsprecher

4

Trägerrahmen

5

Membran

6

Membranauslenkungsachse

7

Längsachse

8

Schallleitkanal

9

Kavität

10

Schallaustrittsöffnung

11

Stirnseite

12

Schallerzeuger

13

erster Schallverstärker

14

zweiter Schallverstärker

15

Anfangswelle

16

erste Überlagerungswelle

17

erste resultierende Welle

18

zweite Überlagerungswelle

19

zweite resultierende Welle

Ansprüche

1. MEMS-Lautsprecheranordnung (1) zum Erzeugen von Schallwellen im hörbaren Wellenlängenspektrum
mit einem Gehäuse (2), das einen Schallleitkanal (8) und eine am Ende des Schallleitkanals (8) angeordnete Schallaustrittsöffnung (10) aufweist,
mit zumindest zwei MEMS-Lautsprechern (3),
die derart im Inneren des Gehäuses (2) angeordnet sind, dass die von den MEMS-Lautsprechern (3) erzeugten Schallwellen über den gemeinsamen Schallleitkanal (8) zu der gemeinsamen Schallaustrittsöffnung (10) führbar sind, und
mit einer Steuereinheit zum Ansteuern der MEMS-Lautsprecher (3),
dadurch gekennzeichnet,
dass einer der beiden MEMS-Lautsprecher (3) dem anderen in Richtung der Schallaustrittsöffnung (10) nachgelagert ist und
dass die Steuereinheit derart ausgebildet ist, dass mittels dieser zur Erhöhung der Maximallautstärke der MEMS-Lautsprecheranordnung (1) die beiden MEMS-Lautsprecher (3) derart ansteuerbar sind, dass der erste der beiden MEMS-Lautsprecher (3) als Schallerzeuger (12) zum Erzeugen einer Anfangswelle (15) und der diesem nachgelagerte zweite MEMS-Lautsprecher (3) als Schallverstärker (13) zum Verstärken dieser Anfangswelle (15) ausgebildet ist,
wobei der Schallerzeuger (12) mittels der Steuereinheit zu einem ersten Zeitpunkt derart ansteuerbar ist, dass in den Schallleitkanal (8) diese Anfangswelle (15) einbringbar ist,
mittels der Steuereinheit ein zweiter Zeitpunkt zum Ansteuern des nachgelagerten Schallverstärkers (13) bestimmbar ist und
der Schallverstärker (13) zu diesem zweiten Zeitpunkt derart ansteuerbar ist, dass mittels diesem eine Überlagerungswelle (16) erzeugbar ist, so dass aus der Anfangswelle (15) und der Überlagerungswelle (16) eine resultierende Welle (17) mit im Vergleich zur Anfangswelle (15) höherer Amplitude erzeugbar ist.

2. MEMS-Lautsprecheranordnung nach dem vorherigen Anspruch,
dadurch gekennzeichnet, dass sich eine Membranauslenkungsachse (6) zumindest eines MEMS-Lautsprechers (3) quer zum Schallleitkanal (8) erstreckt.

3. MEMS-Lautsprecheranordnung nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge des Schallleitkanals (8) vom Schallerzeuger (12) bis zur gemeinsamen Schallaustrittsöffnung (10) größer ist als vom Schallverstärker (13) bis zur Schallaustrittsöffnung (10).

4. MEMS-Lautsprecheranordnung nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Schallleitkanal (8) in Längsrichtung der MEMS-Lautsprecheranordnung (1) erstreckt und/oder
zumindest im Bereich der MEMS-Lautsprecher (3) geradlinig, insbesondere mit ebenen und/oder zueinander parallelen Seitenwänden, ausgebildet ist.

5. MEMS-Lautsprecheranordnung nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die gemeinsame Schallaustrittsöffnung (10) an einem Ende, insbesondere an einer Stirnseite (11), des Gehäuses (2) angeordnet ist.

6. MEMS-Lautsprecheranordnung nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schallerzeuger (12) und der Schallverstärker (13) nebeneinander angeordnet sind, so dass sich ihre jeweiligen Membranauslenkungsachsen (6) zueinander parallel und/oder lotrecht zur Längsachse (7) des Gehäuses (2) erstrecken.

7. MEMS-Lautsprecheranordnung nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schallerzeuger (12) und der zumindest eine Schallverstärker (13) auf ihrer dem Schallleitkanal (8) abgewandten Seite eine gemeinsame Kavität (9) aufweisen, die vorzugsweise zumindest teilweise durch einen Gehäusehohlraum ausgebildet ist und/oder sich über die gemeinsame Breite der MEMS-Lautsprecher (3) erstreckt.

8. MEMS-Lautsprecheranordnung nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schallerzeuger (12) und der zumindest eine Schallverstärker (13) im selben Frequenzbereich arbeiten und/oder zueinander eine unterschiedliche Membrangröße und/oder maximale Membranauslenkbarkeit aufweisen.

9. MEMS-Lautsprecheranordnung nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schallerzeuger (12) und der Schallverstärker (13) als separate Bauteile mit jeweils eigener Membran (5) ausgebildet sind oder
als ein einziges Bauteil mit einer gemeinsamen Membran ausgebildet sind, wobei vorzugsweise jedem ein separat ansteuerbarer und/oder voneinander schwingungsentkoppelter Membranbereich zugeordnet ist.

10. MEMS-Lautsprecheranordnung nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Steuereinheit in Abhängigkeit des ersten Zeitpunktes und/oder der Schallleitkanallänge zwischen Schallerzeuger (12) und Schallverstärker (13) der zweite Zeitpunkt zum Ansteuern des nachgelagerten Schallverstärkers (13) bestimmbar ist.

11. MEMS-Lautsprecheranordnung nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die MEMS-Lautsprecheranordnung (1) einen dritten MEMS-Lautsprecher (3) aufweist, der als zweiter Schallverstärker (14) ausgebildet ist und/oder dem ersten Schallverstärker (13) in Richtung der Schallaustrittsöffnung (10) nachgelagert ist.

12. MEMS-Lautsprecheranordnung nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Steuereinheit zu einem dritten Zeitpunkt der Schallerzeuger (12) und/oder der zweite Schallverstärker (14) derart ansteuerbar sind, dass die Membran (3) des Schallerzeugers (12) wieder in die Ruhelage zurückbewegbar ist und/oder
dass die Membran (3) des zweiten Schallverstärkers (14) zum Erzeugen einer zweiten Überlagerungswelle (18) in den Schallleitkanal (8) hineinbewegbar ist, so dass aus der ersten resultierenden Welle (17) und der zweiten Überlagerungswelle (18) eine zweite resultierende Welle (19) mit im Vergleich zur ersten resultierenden Welle (17) höherer Amplitude erzeugbar ist.

13. MEMS-Lautsprecheranordnung nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anfangswelle (15), zumindest eine Überlagerungswelle (16, 18) und zumindest eine resultierende Welle (17, 19) die gleiche Frequenz aufweisen.

14. Verfahren zum Betreiben einer MEMS-Lautsprecheranordnung (1) nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche.

Claims

1. MEMS loudspeaker arrangement (1) for generating sound waves in the audible wavelength spectrum,
with a housing (2) that features a sound-conducting channel (8) and a sound outlet (10) arranged at the end of the sound-conducting channel (8),
with at least two MEMS loudspeakers (3),
that are arranged in the interior of the housing (2) in such a manner that the sound waves generated by the MEMS loudspeakers (3) can be conducted through the common sound-conducting channel (8) to the common sound outlet (10), and
with a control unit for controlling the MEMS loudspeakers (3),
characterized in that
one of the two MEMS loudspeakers (3) is downstream of the other in the direction of the sound outlet (10) and
that the control unit is formed in such a manner that, to increase the maximum loudness of the MEMS loudspeaker arrangement (1), the two MEMS loudspeakers (3) can be controlled by means of the control unit in such a manner that the first of the two MEMS loudspeakers (3) is formed as a sound generator (12) for generating an initial wave (15) and the second MEMS loudspeaker (3) downstream of this is formed as a sound amplifier (13) for amplifying this initial wave (15),
wherein by means of the control unit, the sound generator (12) can be controlled at a first point in time in such a manner that the initial wave (15) can be moved into the sound-conducting channel (8),
by means of the control unit, a second point in time for controlling the downstream sound amplifier (13) can be determined and
by means of the control unit, the sound amplifier (13) at such second point in time can be controlled in such a manner that a superimposed wave (16) can be generated, such that from the initial wave (15) and the superimposed wave (16), a resulting wave (17) can be generated with an amplitude that is higher compared to the initial wave (15).

2. MEMS loudspeaker arrangement according to the preceding claim, characterized in that a membrane deflection axis (6) of at least one MEMS loudspeaker (3) extends transversely to the sound-conducting channel (8).

3. MEMS loudspeaker arrangement according to one or more of the preceding claims, characterized in that the length of the sound-conducting channel (8) from the sound generator (12) to the common sound outlet (10) is greater than the length from the sound amplifier (13) to the sound outlet (10).

4. MEMS loudspeaker arrangement according to one or more of the preceding claims, characterized in that the sound-conducting channel (8) extends in the longitudinal direction of the MEMS loudspeaker arrangement (1) and/or
is formed at least in the area of the MEMS loudspeakers (3) in a straight line, in particular with side walls that are even and/or parallel to each other.

5. MEMS loudspeaker arrangement according to one or more of the preceding claims, characterized in that the common sound outlet (10) is formed at one end, in particular at a front side (11), of the housing (2).

6. MEMS loudspeaker arrangement according to one or more of the preceding claims, characterized in that the sound generator (12) and the sound amplifier (13) are arranged next to each other, such that their membrane deflection axes (6) extend parallel to each other and/or perpendicular to a longitudinal axis (7) of the housing (2).

7. MEMS loudspeaker arrangement according to one or more of the preceding claims, characterized in that the sound generator (12) and the at least one sound amplifier (13) have a common cavity (9), on its side turned away from the sound-conducting channel (8), which is preferably formed at least partially by a housing cavity and/or extends across the common width of all MEMS loudspeakers (3).

8. MEMS loudspeaker arrangement according to one or more of the preceding claims, characterized in that the sound generator (12) and the at least one sound amplifier (13) operate in the same frequency range and/or have membrane sizes and/or maximum membrane deflections that are different from each other.

9. MEMS loudspeaker arrangement according to one or more of the preceding claims, characterized in that the sound generator (12) and the sound amplifier (13) are formed as separate components with their own membranes (5) or
are formed as a single component with a common membrane, whereas, preferably, each is assigned with a membrane area that is separately controllable and/or vibration-isolated.

10. MEMS loudspeaker arrangement according to one or more of the preceding claims, characterized in that, by means of the control unit, as a function of the first point in time and/or of the sound-conducting channel length between the sound generator (12) and the sound amplifier (13), a second point in time for controlling the downstream sound amplifier (13) can be determined.

11. MEMS loudspeaker arrangement according to one or more of the preceding claims, characterized in that the MEMS loudspeaker arrangement (1) features a third MEMS loudspeaker (3), which is formed as a second sound amplifier (14) and/or is downstream of the first sound amplifier (13) in the direction of the sound outlet (10).

12. MEMS loudspeaker arrangement according to one or more of the preceding claims, characterized in that, by means of the control unit, at a third point in time, the sound generator (12) and/or the second sound amplifier (14) can be controlled in such a manner that the membrane (3) of the sound generator (12) can be moved back into its resting position, and/or
that the membrane (3) of the second sound amplifier (14) can be moved into the sound-conducting channel (8) in order to generate a second superimposed wave (18), such that, from the first resulting wave (17) and the second superimposed wave (18), a second resulting wave (19) can be generated with an amplitude that is higher compared to the first resulting wave (17).

13. MEMS loudspeaker arrangement according to one or more of the preceding claims, characterized in that, the initial wave (15), at least one superimposed wave (16, 18) and at least one resulting wave (17, 19) have the same frequency.

14. Method for operating a MEMS loudspeaker arrangement (1) according to one or more of the preceding claims.

Revendications

1. Arrangement de haut-parleurs MEMS (1) destiné à générer des ondes acoustiques dans le spectre des longueurs d'onde audible comprenant une caisse (2), qui possède un canal de conduction acoustique (8) et une ouverture de sortie acoustique (10) disposée à l'extrémité du canal de conduction acoustique (8),
comprenant au moins deux haut-parleurs MEMS (3),
qui sont disposés à l'intérieur de la caisse (2) de telle sorte que les ondes acoustiques générées par les haut-parleurs MEMS (3) peuvent être guidées sur le canal de conduction acoustique (8) commun vers l'ouverture de sortie acoustique (10) commune, et
comprenant une unité de commande destinée à exciter les haut-parleurs MEMS (3),
caractérisé en ce.
que l'un des deux haut-parleurs MEMS (3) est disposé en aval de l'autre en direction de l'ouverture de sortie acoustique (10) et en ce que l'unité de commande est configurée de telle sorte qu'elle permet d'exciter les deux haut-parleurs MEMS (3) en vue d'augmenter le volume sonore maximal de l'arrangement de haut-parleurs MEMS (1) de manière à ce que le premier des deux haut-parleurs MEMS (3) soit configuré en tant que générateur de son (12) en vue de générer une onde initiale (15) et le deuxième haut-parleur MEMS (3) disposé en aval de celui-ci en tant qu'amplificateur acoustique (13) servant à amplifier cette onde initiale (15),
le générateur de son (12) pouvant être excité au moyen de l'unité de commande à un premier instant de telle sorte que cette onde initiale (15) peut être introduite dans le canal de conduction acoustique (8), un deuxième instant pour l'excitation de l'amplificateur acoustique (13) disposé en aval peut être déterminé au moyen de l'unité de commande et l'amplificateur acoustique (13) peut être excité à cet instant de telle sorte qu'une onde superposée (16) peut être générée par celui-ci, ce qui permet de générer, à partir de l'onde initiale (15) et de l'onde superposée (16), une onde résultante (17) ayant une amplitude supérieure en comparaison de l'onde initiale (15).

2. Arrangement de haut-parleurs MEMS selon la revendication précédente, caractérisé en ce que l'axe de déviation de membrane (6) d'au moins un haut-parleur MEMS (3) s'étend transversalement par rapport au canal de conduction acoustique (8).

3. Arrangement de haut-parleurs MEMS selon l'une ou plusieurs des revendications précédentes, caractérisé en ce que la longueur du canal de conduction acoustique (8) depuis le générateur de son (12) jusqu'à l'ouverture de sortie acoustique (10) commune est supérieure à celle depuis l'amplificateur acoustique (13) jusqu'à l'ouverture de sortie acoustique (10).

4. Arrangement de haut-parleurs MEMS selon l'une ou plusieurs des revendications précédentes, caractérisé en ce que le canal de conduction acoustique (8) s'étend dans la direction longitudinale de l'arrangement de haut-parleurs MEMS (1) et/ou est configurée rectiligne au moins dans la zone des haut-parleurs MEMS (3), notamment avec des parois latérales planes et/ou parallèles les unes aux autres.

5. Arrangement de haut-parleurs MEMS selon l'une ou plusieurs des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'ouverture de sortie acoustique (10) commune est disposée à une extrémité, notamment à un côté frontal (11) de la caisse (2).

6. Arrangement de haut-parleurs MEMS selon l'une ou plusieurs des revendications précédentes, caractérisé en ce que le générateur de son (12) et l'amplificateur acoustique (13) sont disposés l'un à côté de l'autre, de sorte que leurs axes de déviation de membrane (6) respectifs s'étendent parallèlement l'un à l'autre et/ou perpendiculairement à l'axe longitudinal (7) de la caisse (2).

7. Arrangement de haut-parleurs MEMS selon l'une ou plusieurs des revendications précédentes, caractérisé en ce que le générateur de son (12) et l'au moins un amplificateur acoustique (13) possèdent une cavité (9) commune sur leur côté à l'opposé du canal de conduction acoustique (8), laquelle est de préférence au moins partiellement formée par un espace creux de la caisse et/ou s'étend sur la largeur commune des haut-parleurs MEMS (3).

8. Arrangement de haut-parleurs MEMS selon l'une ou plusieurs des revendications précédentes, caractérisé en ce que le générateur de son (12) et l'au moins un amplificateur acoustique (13) fonctionnent dans la même plage de fréquences et/ou possèdent des tailles de membrane et/ou des déviabilités de membrane maximales différentes.

9. Arrangement de haut-parleurs MEMS selon l'une ou plusieurs des revendications précédentes, caractérisé en ce que le générateur de son (12) et l'amplificateur acoustique (13) sont réalisés sous la forme d'éléments structuraux différents ayant chacun une membrane (5) propre ou
sont réalisés sous la forme d'un élément structural unique avec une membrane commune, une zone de membrane excitable séparément et/ou découplée en vibrations étant de préférence associée à chacun.

10. Arrangement de haut-parleurs MEMS selon l'une ou plusieurs des revendications précédentes, caractérisé en ce que le deuxième instant pour exciter l'amplificateur acoustique (13) disposé en aval peut être déterminé au moyen de l'unité de commande en fonction du premier instant et/ou de la longueur du canal de conduction acoustique entre le générateur de son (12) et l'amplificateur acoustique (13).

11. Arrangement de haut-parleurs MEMS selon l'une ou plusieurs des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'arrangement de haut-parleurs MEMS (1) possède un troisième haut-parleur MEMS (3), lequel est réalisé sous la forme d'un deuxième amplificateur acoustique (14) et/ou est disposé en aval du premier amplificateur acoustique (13) en direction de l'ouverture de sortie acoustique (10).

12. Arrangement de haut-parleurs MEMS selon l'une ou plusieurs des revendications précédentes, caractérisé en ce que le générateur de son (12) et/ou le deuxième amplificateur acoustique (14) peuvent être excités à un troisième instant au moyen de l'unité de commande de telle sorte que la membrane (3) du générateur de son (12) peut être ramenée en position de repos et/ou
en ce que la membrane (3) du deuxième amplificateur acoustique (14) peut être déplacée à l'intérieur du canal de conduction acoustique (8) en vue de générer une deuxième onde superposée (18), de sorte qu'une deuxième onde résultante (19) ayant une amplitude supérieure à celle de la première onde résultante (17) peut être générée à partir de la première onde résultante (17) et de la deuxième onde superposés (18).

13. Arrangement de haut-parleurs MEMS selon l'une ou plusieurs des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'onde initiale (15), au moins une onde superposée (16, 18) et au moins une onde résultante (17, 19) possèdent la même fréquence.

14. Procédé pour faire fonctionner un arrangement de haut-parleurs MEMS (1) selon l'une ou plusieurs des revendications précédentes.

Zeichnung