DE19710967C1 - Breitbandlautsprecher - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft einen annähernd punkfförmig abstrahlenden
Breitbandlautsprecher mit verbesserten Wiedergabeeigenschaften nach den
Ansprüchen 1 und 8.
Der Erfindungsgedanke orientiert sich dabei am Ideal einer möglichst kleinen
kugelförmig abstrahlenden Punktschallquelle.
Generell haben Gehäuse großen Einfluß auf die akustischen Eigenschaften eines
Lautsprechers, wobei jede Gehäuseform und -beschaffenheit sowie die Anordnung
des Schallwandlers im Gehäuse sehr charakteristische Auswirkungen auf die
Wiedergabequalität hat. Die durch Gehäuse hervorgerufenen Wiedergabefehler sind
anschließend selbst digital nur sehr schwer bis überhaupt nicht zu korrigieren und
primär folgenden Ursachen zuzuordnen:
- 1. Im Gehäuse bilden sich stehende Wellen, die störend auf die Membranrückseite einwirken.
- 2. Die Schallwellen werden im Bereich der Diffraktionsfrequenz und darunter an den Lausprecherfront-Außenkanten gebeugt, was bei ungünstigen Gehäuseformen zu einem unregelmäßigen Abfall der Amplitude führt.
- 3. An geraden Gehäusekanten werden Zylinderwellen gebildet, die sich hörwinkelabhängig dem Direktschall überlagern (interterieren).
- 4. Abhängig von Gehäusekonstruktion und verwendeten Materialien treten mehr oder weniger starke Materialresonanzen auf, Front- und Rückplatten schwingen.
Als ungünstigste der gebräuchlichen Gehäuseformen in Bezug auf die vorgenannten
Fehlerquellen hat sich der Würfel erwiesen, der bei zentrischem Einbau des Chassis
kräftige Stehwellen und an den Lausprecherfront-Außenkanten starke Zylinderwellen
bildet. Als Kompromißlösung ist das Rechteckgehäuse mit drei unterschiedlichen
Kantenlängen sehr verbreitet, weil sich die Stehwellen auf drei Frequenzen aufteilen
und daher nicht so stark ausgeprägt auftreten. Möglich sind auch zusätzlich
eingebaute Schallreflektoren, die diesen Effekt verringern sollen. Auch
pyramidenförmige Gehäuse erfüllen ähnliche Zwecke. Interferenzfehler lassen sich
dabei durch Anschrägen der Kanten etwas mildern. Fehler durch Beugung und
Überlagerung werden durch kugelförmige Gehäuse, wie es z. B. die DE-GM 75 02 568
zeigt, minimiert, wobei aber die Kugel ohne weitere Maßnahmen die kräftigsten
Stehwellen hervorbringt. Vorteilhaft ist bei dem vorgenannten Gebrauchsmuster die
Membranbefestigung unmittelbar am Gehäuse, in der Abbildung jedoch ist die Lage
der Membran in Bezug auf die Gehäuseaußenkante so unglücklich dargestellt, daß
die Vorteile der kugelförmigen Gehäusefront nicht zum Tragen kommen.
Hinzu kommen Fehler, die von der Membran verursacht werden:
- 1. Ab "fb" [fb = C/(π . d) fb = Bündelungsfrequenz; C = Schallgeschwindigkeit; d = Membrandurchmesser] tritt die Bündelung der abgestrahlten Schallwellen zu höheren Frequenzen hin ein (die Formel bezieht sich auf eine ebene Membran, während eine konische Membran prinzipbedingt noch stärker bündelt).
- 2. Abhängig von der Materialbeschaffenheit (Verwindungssteifheit, innere Dämpfung u. a.) treten bei verschiedenen Frequenzen Materialresonanzen in Form von Partialschwingungen (störender Fremdschall durch partielle Membranverbiegung) auf.
- 3. Fehler durch die Membranaufhängung (Taumelbewegungen) bei Kalotten.
- 4. Fehler, der infolge der Membranaufhängung und Zentrierung (Masse/Federwirkung), ähnlich einem Filter 2. Ordnung, einen Amplitudenabfall bei der unteren Grenzfrequenz zur Folge hat.
Die schwerwiegendsten Fehler in Bezug auf die räumliche Wiedergabequalität jedoch
verursachen unterschiedliche Laufzeiten der Schallwellen bei nichtkoaxialen
Mehrwegesystemen. Selbst wenn die Membranen auf einer Ebene liegen, treten
Laufzeitfehler auf. Die originalgetreue dreidimensionale Wiedergabe einer
Aufzeichnung mit zwei Mikrofonen ist damit nicht bzw. nur für einen fest fixierten
Hörplatz annähernd möglich. Außerdem treten Halleffekte auf, die u. a. einen
künstlichen Raumklang und größere Klangfülle vortäuschen.
Demnach könnte ein Koaxiallautsprecher geeignet erscheinen, diesen Fehler zu
beheben. Koaxiallautsprecher sind als Kombination Konus/Kalotte und Konus/Horn
bekannt. Bei beiden Ausführungen befindet sich der Schallaustritt für den
Hochtonbereich in der Trichtermündung eines Konus. Die Membran, die ohnehin
schon den ihr zugewiesenen Hochtonanteil moduliert, wird noch - bei der Kalotte
mehr, beim Horn etwas weniger - mit den Schallwellen des Hochtonsystems
beaufschlagt. Auch ist nachteilig, daß die Schallanteile der sonst breitstrahlenden
Kalotte durch den Konus frequenzabhängig gebündelt werden. Beim Horn stören in
verschiedener Hinsicht die Vielfachrefexionen an den Innenwänden des Hornkörpers.
Einen sinnvollen Ansatz liefert die koaxiale Ausführung eines Hoch/Mittelton
Kalottenlautsprechers aus der GB 2250658, die jedoch hinsichtlich der Unterdrückung
von Partialschwingungen keine Aussagen macht.
Diese vorgenannten Fehler führen zum Teil zu erheblichen harmonischen
Verzerrungen.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung einen Lautsprecher mit verbesserten
Wiedergabeeigenschaften zu schaffen, bei dem die beschriebenen Fehler
weitgehend vermieden werden.
Die Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale der Ansprüche 1 und 8 auf
zwei Wegen erfindungsgemäß gelöst. Die sich anschließenden Unteransprüche bilden
den Erfindungsgegestand vorteilhaft weiter und zeigen mögliche
Ausgestaltungsformen auf.
Auf dem ersten Weg bietet die kuppelförmige Lautsprecherfront den Vorteil, daß sich
die Schalldruckwellen nicht abrupt an Gehäuse-Außenkanten brechen, sondern
allmählich. Dadurch entstehen weder Interferenzen noch Unregelmäßigkeiten im
Amplitudenfrequenzverlauf. Der Übergangsbereich zwischen den Verhältnissen auf
einer unendlichen Schallwand und denen am Ende einer langen Röhre verläuft hier
regelmäßig. Der Schalldruck fällt gleichmäßig bis auf - 6dB ab und kann leicht - z. B.
bei einer passiven Lösung nach der Impedanzentzerrung - durch eine bekannte
Schaltung im Signalweg, die den Schalldruckabfall unterhalb der Diffraktionsfrequenz
(fd) ausgleicht, indem sie eine frequenzabhängige Pegelabsenkung zuläßt, deren
Eckfrequenz = fd ist. Dadurch wird der Frequenzgang linearisiert und es stellt sich der
Amplitudenfrequenzgang einer unendlichen Schallwand ein.
Im Inneren dieser Kuppel werden die axial abgestrahlten Schallwellen unmittelbar,
und durch die konusförmig angeordneten Ablenkflächen die radial abgestrahlten
Schallanteile in den hinteren Bereich des Gehäuses geführt. Dort treffen sie auf die
vorzugsweise im 45° Winkel befindliche Umlenkebene, die von der Gehäuserückwand
gebildet werden kann und die Schallwellen derart ablenkt, daß sie vielfach an den
Innenwänden des Gehäusemantels, der vorzugsweise einen polygonalen Querschnitt
aufweist, reflektiert werden. Ein in den Gehäusehohlraum eingebrachtes
Dämpfungsmaterial muß mehrfach durchdrungen werden. Axiale Stehwellen können
sich nicht ausbilden.
Durch die ungeradzahlige polygonale Ausführung des Gehäuseinnenquerschnitts
werden radiale Stehwellen auf mehrere Frequenzen verteilt - abhängig von der
Segmentezahl - und damit bereits deutlich abgeschwächt, bevor sie ebenfalls vom
Dämpfungsmaterial eliminiert werden.
Die äußerst stabile Gehäusekonstruktion ist sehr resonanzarm und läßt es zu, den
üblichen Lautsprecherkorb einzusparen und die Membranaufhängung und die
Antriebseinheit direkt im Gehäuse zu befestigen, wenn z. B. Aluminium oder Kunststoff
als Werkstoffe zum Einsatz kommen.
Der andere Weg führt über die Verbesserung der Membranabstrahlung ansich.
Um das Bündelungsverhalten der Lautsprechermembran zu verbessern, d. h., den
Abstrahlwinkel zu vergrößern, wird die Membran als Kalotte ausgelegt. In Verbindung
mit einer kuppelförmigen Lautsprecherfront wird so ein beinahe perfektes
Abstrahlverhaltens im beschriebenen Übergangsbereich erreicht.
Partlalschwingungen der Membran werden erheblich unterdrückt, wenn die
Kalottenmembran in stabilisierende Segmente gegliedert ist, indem sie mit einem
polygonalen Querschnitt versehen wird. Wenn dazu eine unsymmetrische Teilung
gewählt wird, können sich die vornehmlich gegenüberliegend auftretenden
Schwingungsfelder nicht aufbauen. Eine Umformung des Randbereichs nach innen,
zu einem kreisförmigen Flansch, gibt ergänzende Formstabilität und schafft eine
Ebene zum Befestigen der Membranaufhängung.
Die Gliederung der Membran in zwei Zonen und die elastische Verbindung der Zonen
miteinander - dabei kann es sich um eine definierte dauerelastische Verklebung
handeln - verbessert zum einen nochmals das Abstrahlverhalten, d. h. minimiert
Bündelungserscheinungen, zum anderen den Wirkungsgrad für hohe Frequenzen. Der
durch die elastische Ankoppelung verursachte Einbruch im Amplitudenfrequenzgang
läßt sich mit einem Bandpaß korrigieren. Eine Aufgliederung in weitere Ringzonen ist
begrenzt möglich. Die Befestigung des Spulenträgers erfolgt jeweils im Zentrum.
Taumelbewegungen der Membran können mit einer endseitig oder doppelt
gelagerten Zentrierachse, die vorzugsweise aus einem leichten Hohlkörper besteht,
verhindert werden. Die störende (dämpfende u. reflektierende) Zentrierspinne kann
entfallen.
FM-Verzerrungen schließlich lassen sich reduzieren, wenn die Zentrumszone von der
Ringzone abgekoppelt und mit eigenem Antrieb und eigener Membranaufhängung
versehen wird. Der Antrieb der Zentrumszone hat Platz vor dem Antrieb für die
Ringzone, wobei die Zentrumszone auch durch ein komplettes Schallwandlerelement,
z. B. eine Neodymkalotte, dargestellt werden kann. Die Befestigung der inneren
Membranaufhängung der Ringzone erfolgt an diesem Antrieb bzw. Schallwandler,
wodurch gleichzeitig die vollständige Abdichtung zum Gehäuse gewährleistet ist. Je
nach Materialbeschaffenheit der Membranaufhängungen ist hiermit allein eine
ausreichende Zentrierung und Nullstellung möglich. Einer geringfügigen
Phasenabweichung kann elektronisch begegnet werden. Das anschließende
Gehäuse führt zum ersten Lösungsweg zurück, kann aber z. B. ein Kugelgehäuse mit
geeigneter Innenkontur sein.
Im Ergebnis ist mit dem Lautsprecher schon im Grundaufbau - bei freier Aufstellung
(nicht zu kleiner Abstand von den Wänden) - eine verblüffend originalnahe plastische
Reproduktion geeignet aufgezeichneter Schallereignisse möglich. Er ist auch
bestmöglich für eine aktive Vorbehandlung der Tonsignale vorbereitet, wenn u. a. der
volle Dynamikumfang genutzt werden soll.
Anhand der Abbildungen werden die Ausführungsbeispiele näher erläutert.
Fig. 1 zeigt schematisch den Längsschnitt des Breitbandlautsprechers, bei
dem ein Schallwandler (2) mit konusförmiger Membran (4) in die kuppelförmige
Front (6) eingebracht ist, die mittels der Membranaufhängung (5) sowohl in
einem Korb oder im Gehäuse (1) befestigt sein kann. Ebenfalls kann die
Antriebseinheit (3) mit einem Korb oder dem Gehäuse (1) bzw. der Rückwand (9)
verbunden sein. Die diagonal angelegte Rückwand (9) kann durch ein ähnlich
wirkendes Ablenkelement im Innern eines anders geformten Gehäuses ersetzt
werden. Die konisch verlaufende Innenkontur ist zweckmäßig, kann aber
zugunsten eines dünneren Metallgehäuses z. B. vernachlässigt werden.
Fig. 2 zeigt den unmittelbar mit Antriebseinheit (3) und Membranaufhängung
(5) am Gehäuse befestigten Schallwandler in konvexer und konkaver
(gestrichelt) Ausführung. Die Zentrierachse (15) ist im Beispiel endseitig
gelagert, wobei das Lager (16) nicht näher beschrieben wird, z. B. aber auch eine
elastische Sicke sein kann.
Fig. 3 zeigt die in Ringzone (12) und Zentrumszone (13) aufgeteilte
Kalottenmembran (10). Die Befestigung der Zonen miteinander mittels
elastischer Verbindung (14) ist schematisch dargestellt. Die Ringzone (12) muß
zur Versteifung im Ankoppelungsbereich zweckmäßigerweise eine Umformung
erfahren. Fig. 3a zeigt eine Ausschnittsvergrößerung dieses Bereichs.
Fig. 4 zeigt eine Anordnung mit separat angetriebener Zentrumszone (13, 19).
Die innere Membranaufhängung (17) verbindet die Ringzone (13) mit dem
zweiten Antrieb (19) bzw. mit dem Spulenträger (18). Die Zentrumszone (13) ist
dabei mit eigener Membranaufhängung versehen und kann einen vollständig
eigenen Schallwandler darstellen.
Fig. 5 zeigt ein dreidimensional dargestelltes Gehäuse (1) ohne Lautsprecher.
In diesem Ausführungsbeispiel ist der Außenquerschnitt vollständig rund,
während der Innenraum vieleckig ausgeführt ist, wie der Einblick ins Gehäuse
und die eingelassene Rückwand (9) zeigen.
Fig. 6 zeigt eine dreidimensionale Abbildung von Fig. 3. Die Ansicht kann
zugleich die Fig. 2 und 4 illustrieren. Den Absatz im Zentrum ignorierend
sehen wir die Ausführung nach Fig. 2, ihn als Membranaufhängung
interpretierend Fig. 4. Zugleich ist durch die vieleckige Außenkontur der
kuppelförmigen Lautsprecherfront (6) eine praktikable Kombination der
Lösungswege gezeigt. Die Tesselationslinien sollen im übrigen nur die Kontur
verdeutlichen und keine Fassetten darstellen.
Claims (19)
1. Lautsprecher, bestehend aus Gehäuse (1) und Schallwandler (2) mit Antriebseinheit
(3), Membran (4) und Membranaufhängung (5), bei dem der Schallwandler auf einer
kuppelförmigen Lautsprecherfront (6) befestigt ist, die nach hinten in einen koaxial
um die Lautsprecher-Mittelachse (7) herum angeordneten Gehäusemantel (8)
mündet, wobei gehäuseinnenseitig der Membranrückseite eine diagonale
Umlenkebene (9) gegenüberliegt, die von der Rückwand dargestellt sein kann.
2. Lautsprecher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel der
Umlenkebene (9) vorzugsweise 45° beträgt.
3. Lautsprecher nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt des
Gehäusemantels (8) innenseitig ein Polygon beschreibt.
4. Lautsprecher nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch einen polygonalen
Querschnitt mit ungerader Seitenzahl.
5. Lautsprecher nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Umlenkebene (9)
derart angelegt ist, daß ihr ein Scheitelpunkt (offener Winkel) des Polygons
gegenüberliegt.
6. Lautsprecher nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch einen nach hinten
konusförmigen Verlauf der innenseitigen Kontur der kuppelförmigen Lautsprecherfront
(6) vom äußereren Befestigungsflansch der Membran (4) zum Gehäusemantel (8) hin.
7. Lautsprecher nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß der Gehäusemantel
(8) konisch verläuft.
8. Lautsprecher mit Antriebseinheit (3), Membran (4) und Membranaufhängung (5), bei
dem die Membran (4) zur Kalotte (10) geformt ist und mit Membranaufhängung (5)
sowie Antriebseinheit (3) unmittelbar an einem Gehäuse befestigbar sein kann.
9. Lautsprecher nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Kalotte (10) mit
polygonaler Grundfläche ausgeführt ist.
10. Lautsprecher nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß eine ungerade
Seitenzahl gewählt wird.
11. Lautsprecher nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Kalotte (70) im
Randbereich nach innen zu einem runden Flansch (11) umgeformt ist.
12. Lautsprecher nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die
Membranaufhängung (5) am Flansch (11) befestigt ist.
13. Lautsprecher nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Kalotte (10) in
eine Ringzone (12) und eine Zentrumszone (13) unterteilt ist.
14. Lautsprecher nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringzone (12)
dauerelastisch mit der Zentrumszone (13) verbunden ist (14).
15. Lautsprecher nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebseinheit
(3) auf die Zentrumszone (13) wirkt.
16. Lautsprecher nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Kalotte (10) mit
einer Zentrierachse (15) verbunden ist, die im Gehäuse (1) gelagert ist (16).
17. Lautsprecher nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Zentrumszone
(13) ein eigenständiger Schallwandler mit separatem Antrieb (19) ist.
18. Lautsprecher nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß der Antrieb (19) für
die Zentrumszone (13) vor der Antriebseinheit (3) für die Ringzone (12) angeordnet ist.
19. Lautsprecher nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringzone (12) mit
einer zweiten, inneren Membranaufhängung (17) am Spulenträger (18) der
Antriebseinheit (3) und am zweiten Antrieb (19) befestigt ist.
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