DE2804160A1

DE2804160A1 - Trichterlautsprecher und verfahren zum erzeugen verzerrungsarmen schalls

Info

Publication number: DE2804160A1
Application number: DE19782804160
Authority: DE
Inventors: John Meyer
Original assignee: Individual
Current assignee: Meyer Sound Laboratories Inc Berkeley Calif
Priority date: 1977-02-01
Filing date: 1978-01-31
Publication date: 1978-08-03
Also published as: US4152552A; GB1591480A; FR2379220B1; FR2379220A1; JPS53102024A

Description

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^mm CL ^mm

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ausreichend hoch ist, um den Strahlungswiderstand der Membran im wesentlichen zu dominieren, ist an seinem Halsende mit der am Gehäuse aufgehängten Sprachmembran luftgekoppelt, während die Nachgiebigkeit der Sprachmembranaufhängung relativ hoch ist, so daß durch das Vorhandensein des dominierenden Halswiderstandes des Trichters die Vibrationsbewegung der Membran durch im wesentlichen kraftbestimmte Auslenkungen im Gegensatz zu im wesentlichen linearen Auslenkungen konstanter Verdrängung gekennzeichnet ist.

Ein Verfahren zur Erzeugung verzerrungsarmen Schalls mit einem Trichterlautsprecher besteht darin, daß die Lautsprechermembran zu einer Vibrationsbewegung angetrieben wird, die im wesentlichen durch kraftbestimmte Auslenkungen im Gegensatz zu im wesentlichen linearen Auslenkungen konstanter Verdrängung gekennzeichnet ist.

Hintergrund der Erfindung

Die Erfindung betrifft allgemein Lautsprecher und insbesondere Trichterlautsprecher und Kompressionstreiber für deren Antrieb bei hohen Schallpegeln, typischerweise im Bereich von 90 bis 120 dB.

Für Lautsprecher gibt es zwei grundsätzliche Konstruktionsprinzipien: zunächst gibt es den billigeren sog. Direktstrahler-Lautsprecher, bei dem die Lautsprechermembran direkt mit der Atmosphäre gekoppelt ist, zweitens gibt es den Schalltrichter- oder einfach Trichter-Lautsprecher, bei dem ein sog. Kompressionstreiber verwendet wird, dessen Membran indirekt über einen Schalltrichter mit der Atmosphäre gekoppelt ist. Schalltrichter, deren Konstruktion bekannt ist (Beranek, Acoustics, McGraw-Hill, 1954, S. 268-284) wirken als

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Transformator zwischen der Sprachmembran des Kompressionstreibers und der Atmosphäre, und sind gekennzeichnet durch hohen Wirkungsgrad beim Übertragen akustischer Energie in die Hörfläche. Direkte Strahler sind andererseits durch geringen Wirkungsgrad gekennzeichnet, und diese Eigenschaft, plus das Fehlen einer Richtwirkung des direkten Strahlers, macht diese unpraktisch zur Verwendung in Beschallungssystemen, in denen hohe Schallpegel erforderlich sind. In Lautsprecheranlagen und anderen Systemen mit hohen Anforderungen an den Schalldruckpegel werden deshalb Trichterlautsprechersysteme verwendet.

Unähnlich direkten Strahlern führen konventionelle Trichterlautsprecher unglücklicherweise Verzerrungen bei hohen Ausgangspegeln ein, die vom Hörer als mangelhafte Qualität und Klarheit des Schalles wahrgenommen werden. Normalerweise hat man beim Anhören einer Lautsprecheranlage den Eindruck, daß der Schall zwar verständlich ist, die Wiedergabe jedoch nicht angenehm ist, wenn sie beispielsweise mit dem High-Fidelity-Ton von einer üblichen Heim-Stereoanlage verglichen wird. Es wird angenommen, daß die starke Verzerrung eines konventionellen Trichterlautsprechers hauptsächlich durch die relativ geringe Nachgiebigkeit der Membranaufhängung des konventionellen Treibers verursacht wird (relativ geringe Nachgiebigkeit ist durch relative Steifigkeit gekennzeichnet). Wegen dieser Aufhängung geringer Nachgiebigkeit, die typischerweise in konventionellen Konstruktionen zwischen 6 χ 10 m/newton und 4- χ ΙΟ"-⁵ m/newton liegt, vibriert die. Membran im wesentlichen in der Betriebsart konstante Verdrängung, so daß sie analog einer konstanten Stromquelle in einem elektrischen System ist, dessen Ausgang Variationen der Lastimpedanz ignoriert. Eine solche Bewegung konstanter

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Verdrängung verbessert zwar das Frequenzverhalten des Systems, weil sie dazu neigt Impedanzfehlanpassungen im System zu überwinden, liefert jedoch auch ein nichtlineares Verhalten der Schalldruckschwingung. Dieses nicht-lineare Verhalten wird in konventionell konstruierten Kompressionstreibern deutlich erkennbar, da der konventionelle Kompressionstreiber eine Rückkappe verwendet, die dicht hinter die Sprachmembran geschachtelt ist, um das Hochfrequenzverhalten anzuheben.

Um das nicht-lineare Verhalten der von einer Membran, die in einem Modus konstanter Verdrängung arbeitet, erzeugten Schalldruckschwingung zu verstehen, muß berücksichtigt werden, daß die mit dem Hals des Trichters belastete Membran etwa wie ein Kolben in einem geschlossenen Behälter wirkt. Für adiabatische Expansionen, die bekanntlich zwischen 10 Hz und 20.000 Hz auftreten, wird die Beziehung zwischen dem Gesamtdruck und dem Volumen des Behälters durch das Boyle'sehe Gesetz

PV^r = konstant

ausgedrückt, wobei r das Verhältnis der spezifischen Wärme des Gases bei konstantem Druck zur spezifischen Wärme bei konstantem Volumen für das Gas ist. Da der Kolben sich mit konstanter Verdrängung auf jeder Seite eines festen Bezugspunktes bewegt, werden die Spitzen und Täler der Luftdruckschwingung, die zur Linearität gleiche Druckabweichungen zeigen sollten, verzerrt oder ungleich, und zwar wegen der unproportionalen Änderungen des Volumens, wenn sich der Kolben zunächst zum geschlossenen Ende des Behälters hin bewegt und dann um eine gleiche Distanz von diesem weg. Dieses Phänomen neigt dazu, die Druckabweichung oder Schwingung in der negativen Auslenkung abzuflachen, das führt eine

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entsprechende Nicht-Linearität in das System ein, die
ihrerseits Anlaß zur Verzerrung gibt.

Durch die Erfindung wird das Verzerrungsproblem konventioneller Kompressionstreiber dadurch überwunden, daß
ein Treibermechanismus geschaffen wird, der im wesentlichen die Nicht-Linearitäten in der Schalldruckschwingung eliminiert, die durch konventionelle Treibermechanismen konstanter Verdrängung erzeugt werden. Ein solcher verzerrungsarmer Betrieb wird zusätzlich ohne merkliche
Verschlechterung des Gesamtfrequenzverhaltens des Lautsprecher syst ems erhalten.

Zusammenfassung der Erfindung

Durch die Erfindung wird ein verzerrungsarmer Trichter-Lautsprecher verfügbar gemacht, der aus einer Gehäuseeinheit und einem akustischen Trichter mit einem Mündungsund einem Hals-Ende besteht. Eine Sprachmembran ist in der Gehäuseeinheit so angeordnet, daß sie mit dem Hals-Ende des Trichters luftgekoppelt ist, wobei das Hals-Ende des Trichters so bemessen ist, daß ein Halswiderstand dargeboten wird, der den Strahlungswiderstand der Membran im Betriebsbereich des Lautsprechers dominiert. Eine Membranaufhängungseinrichtung, mit der die Membran an der Gehäuseeinheit aufgehängt wird, ist so ausgelegt, daß sie eine relativ hohe Nachgiebigkeit hat, so daß
die Vibrationsbewegung der Membran in Gegenwart des im wesentlichen dominierenden Halswiderstandes des Schalltrichters des Lautsprechers durch im wesentlichen kraftbestimmte Auslenkungen, im Gegensatz zu im wesentlichen linearen Auslenkungen konstanter Verdrängung gekennzeichnet ist. Im Lautsprecher sind Einrichtungen vorgesehen, mit denen der Membran aufgrund eines extern

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angelieferten tonfrequenten elektrischen Signals Vibrationsbewegungen erteilt werden.

Die Erfindung schließt auch einen getrennten verzerrungsarmen Kompressionstreiber für einen Trichterlautsprecher ein, der aus einer Gehäuseeinheit besteht, die an die Mündungssektion eines Schalltrichters angesetzt werden kann. Die Gehäuseeinheit weist eine Luftkanaleinrichtung auf, die das Hals-Ende eines Schalltrichters bildet, wobei die Luftkanaleinrichtung eine derartige Größe hat, daß ein Trichterhalswiderstand dargeboten wird, der den Strahlungswiderstand der an der Lautsprechergehäuseeinheit aufgehängten Membran im wesentlichen dominiert. Die Membranaufhängungseinrichtung ist mit relativ hoher Nachgiebigkeit ausgelegt, so daß in Gegenwart der im wesentlichen dominierenden Halsimpedanz die Vibrationsbewegung der Membran durch im wesentlichen kraftbestimmte Auslenkungen im Gegensatz zu im wesentlichen linearen Auslenkungen konstanter Verdrängung gekennzeichnet ist.

Die Erfindung schließt ferner ein Verfahren zur Erzeugung verzerrungsarmen Schalls von einem Trichter-Lautsprecher mit einer Sprachmembran ein, die mit dem Hals-Ende des Lautsprechertrichters luftgekoppelt ist. Das Verfahren besteht darin, daß die Sprachmembran in einer Vibrationsbewegung angetrieben wird, die durch im wesentlichen kraftbestimmte Auslenkungen im Gegensatz zu im wesentlichen konstanten Verdrängungsauslenkungen gekennzeichnet ist.

Ziele der Erfindung

Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, einen Schalltrichter-Lautsprecher verfügbar zu machen, der bei hohen Schalldruckpegeln geringe Verzerrung aufweist.

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Veiter soll durch die Erfindung ein verzerrungsarmer Schalltrichter-Lautsprecher verfügbar gemacht werden, bei dem die Verzerrungsarmut ohne merkliche Verschlechterung des Gesamt-Frequenzverhaltens erreicht ist.

Ferner soll durch die Erfindung ein getrennter verzerrungsarmer Kompressionstreiber verfügbar gemacht werden, der dazu geeignet ist, an einem Trichterzusatz befestigt zu werden, um einen Trichterlautsprecher mit geringen Verzerrungen bei hohen Schalldruckpegeln zu erreichen.

Weiter soll durch die Erfindung ein Verfahren zur Wiedergabe verzerrungsarmen Schalls bei hohen Schalldruckpegeln verfügbar gemacht werden.

Ferner soll durch die Erfindung ein verzerrungsarmer Kompressionstreiber für einen Schalltrichter-Lautsprecher verfügbar gemacht werden, der für qualitativ hochwertige Lautsprecheranlagen mit Komponenten handhabbarer Größe sorgt.

Noch eine weitere Aufgabe der Erfindung ergibt sich aus der folgenden Beschreibung und den Ansprüchen.

Die Erfindung soll anhand der Zeichnung näher erläutert werden; es zeigon:

Fig. 1 einen Schnitt durch einen Trichter-Lautsprecher nach der Erfindung;

Fig. 2 einen Schnitt längs der Linie 2-2 in Fig. 1; und

Fig. 3 einen Schnitt längs der Linie 3-3 in Fig. 1 zur Veranschaulichung der Sprachmembran und der Membranaufhängung in Stirnansicht.

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Vo

Durch die Erfindung wird ein Schalltrichter-Lautsprecher verfügbar gemacht, der es erlaubt, qualitativ hochwertigen, verzerrungsarmen hörbaren Schall bei hohen Schalldruckpegeln wiederzugeben. Merkmal des Lautsprechers ist ein Treibermechanismus, der so wirkt, daß das inhärente nicht-lineare Verhalten in Luftdruckwellen kompensiert wird, das Anlaß ist für harmonische und Intermodulations-Verzerrungen in Trichter-Lautsprechern mit konventionellen, linear wirkenden Sprachmembranen, d.h., Membranen, die konstante Verdrängungen ihrer Vibrationsauslenkungen um eine zentrale Bezugsebene zeigen. Um das zu erreichen, wird durch die Erfindung, abweichend von eingefahrenen Prinzipien der Trichterlautsprecher-Konstruktion, eine Membran mit einer relativ flexiblen Aufhängung hoher Nachgiebigkeit in Gegenwart eines Schalltrichters vorgesehen, der über den Betriebsbereich des Lautsprechers eine im wesentlichen dominierende Halsimpedanz hat. Unähnlich, und im Gegensatz zu konventionellen Trichterlautsprechern, wo das Konstruktionsprinzip darin liegt, die Impedanzen so eng wie möglich anzupassen, ist es erfindungsgemäß wichtig, daß sich an dem Hals des Trichters eine Impedanzfehlanpassung ergibt.

Fig. 1 zeigt einen Schnitt durch einen Schalltrichter-Lautsprecher, wobei die Mündungssektion 13 eines Schalltrichters an einem Kompressionstreiber 15 befestigt ist. Es ist zu beachten, daß sich im Treiber eine Luftkanaleinrichtung 47 befindet, die mit dem Mündungsendeansatz 13 in Verbindung steht, so daß sich ein kontinuierlicher Luftkanal 16 mit einem Halsende 18 ergibt, das der Lautsprechermembran 43 gegenüber liegt, und einem Mündungsende 19, das nach der äußeren Hörfläche hin offen ist. Wenn von "Lautsprecher-Schalltrichtern" gesprochen wird, bezieht man sich üblicherweise auf einen Trichter-

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ansatz, wie das Element 13 in Fig. 1, für die Zwecke der Beschreibung der vorliegenden Erfindung soll jedoch der Schalltrichter des Lautsprechers als die volle Länge des Luftkanals definiert werden, von dessen der Membran gegenüber liegenden Halsende 18 bis zum Mündungsende 19. Es wird in Betracht gezogen, daß die Erfindung Lautsprecher-Ausführungsformen enthält, bei denen der Trichter 16 als integraler Teil des Lautsprechers hergestellt wird, oder bei denen ein Trichteransatz den gesamten Schalltrichter definiert. Die letztere Ausführungsform würde die geeignete Positionierung der Lautsprechermembran auf der Vorderseite des Kompressionstreibers erfordern. In Fig. ist der Trichteransatz 13, der sich von einem engen Ende 17 bis zur erheblich weiteren Mündung 19 erweitert, als mittels eines Flansches 21 am Treiber 15 befestigt dargestellt. Andere Trichterbefestigungseinrichtungen können jedoch ebenfalls verwendet werden und sind dem Fachmann bekannt.

Der Treiber 15 besteht aus einer Gehäuseeinheit 23, die ein Außengehäuse 25 aufweist, das einen intern angeordneten Phasenstopfen 27 umgibt, sowohl das Gehäuse als auch die Stopfen sind vorzugsweise aus einem magnetischen Werkstoff hergestellt. Eine Quelle für magnetischen Fluß ist in Form eines Permanentmagneten 29 dargestellt, der Ringform hat und das Halsende 31 des Phasenstopfens zwischen dem Phasenstopfen und dem Außengehäuse 25 umgibt. Wie durch einen Pfeil 33 dargestellt ist, bildet die Gehäuseeinheit einen magnetischen Rückführkreis für die Quelle für magnetischen Fluß, der durch den ringförmigen Permanentmagneten 29 geliefert wird. In konventioneller Weise endet der magnetische Rückführkreis in nahe einander gegenüberliegenden Flächen 35» 37, die einen Spalt 39 bilden. Wegen der Magnetflußquelle und dem vorgesehenen

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magnetischen Rückführkreis wird über dem Spalt 39 ein konstantes Magnetfeld gesehen. Selbstverständlich ist es für die Erfindung nur notwendig, einen geeigneten Spalt mit einem konstanten Magnetfeld vorzusehen, und andere Konstruktionen oder Konfigurationen der Gehäuseeinheit können für diesen Zweck verwendet werden. So kann beispielsweise statt eines Permanentmagneten 29 als Quelle für den Magnetfluß eine Feldspule verwendet werden, wobei ein geeigneter magnetischer Rückführkreis durch die Gehäuseeinheit zwischen den gegenüberliegenden Flächen des Spaltes geschaffen würde. In der Tat würde die Gehäusekonstruktion vieler konventioneller Kompressionstreiber mit dem Konzept der Erfindung kompatibel sein.

Der Spalt 39 ist vorzugsweise ringförmig und umgibt in der dargestellten Ausführungsform den Phasenstopfen 27, wobei die Spaltoberflächen durch einen Teil des Phasenstopfens und eine Verlängerung des Außengehäuses 25 gebildet werden. Eine Sprachspule 4-1 ist im Spalt 39 angeordnet und mittels einer Ringhülse 4-5, die von der Membran in den Spalt ragt, fest mit der Sprachmembran 4-3 verbunden. In Fig. 1 ist die Sprachspule als um die Hülse 4-5 gewickelt dargestellt, man könnte jedoch auch die Sprachspule in die Hülse einformen, die vorzugsweise aus einem geeigneten Kunststoff besteht. Um Verzerrungen zu verhindern, ist es wichtig, daß die Sprachspule so im Spalt zentriert wird, daß während einer maximalen Auslenkung der Sprachspule die gesamte Sprachspule immer ein konstantes Magnetfeld sieht. Selbstverständlich hat die Sprachspule nicht dargestellte elektrische Zuleitungen, die von außen zugänglich sind, um die Ausgangsspannung eines Tonfrequenzverstärkers aufzunehmen.

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Die Sprachmembran 43, die vorzugsweise kuppeiförmig ist, ist direkt hinter der Luftkanaleinrichtung 47 und dieser gegenüber angeordnet, die, wie oben beschrieben, in Kombination mit dem Trichtermundstück 13 den Schalltrichter 16 des Lautsprechers bildet. Wie dargestellt, erstreckt sich in dieser bevorzugten Konfiguration die Luftkanaleinrichtung 47 durch den Phasenstopfen 27, der so genannt wird, weil der Phasenstopfen eine Vielzahl Phasen-Luftkanäle 51 aufweist, die am Membranende 53 des Phasenstopfens 27 merkliche Abstände haben. Vom Membranende 53 des Stopfens 27 konvergieren die Luftkanäle 51 zu einem gemeinsamen Luftkanal 49, der seinerseits mit dem engen Ende 17 des Trichterzusatzes 13 luftgekoppelt ist. Die getrennten, konvergierenden Luftkanäle 51 dienen dazu, die tonfrequenten Luftdruckschwingungen, die durch die Vibrationsbewegungen der Membran 43 erzeugt werden, daran zu hindern, sich gegenseitig auszulöschen, wenn die Schwingungen zum Hals des Trichters fokussiert werden.

Es ist auch wichtig, daß die getrennten, konvergierenden Luftkanäle 51 auch relativ kleine Querschnittsflächen haben. Da der reelle Teil der Halsimpedanz des gesamten Schalltrichters 16 mit der Trichterhalsfläche in inverser Beziehung steht, bilden die relativ kleinen Luftkanäle eine relativ hohe Trichterhalsimpedanz. Die Halsimpedanz und damit die Halsgröße des Trichters wird so klein gewählt, daß die Halsimpedanz den Strahlungswiderstand der Lautsprechermembran 43 innerhalb des Betriebsbereichs des Lautsprechers im wesentlichen dominiert. Der Strahlungswiderstand der Membran 43, die, wie noch beschrieben wird, eine relativ flexible Aufhängung hoher Nachgiebigkeit aufweist, kann durch den Strahlungswiderstand eines Kreiskolbens angenähert werden, der in einer unendlichen Schallwand in Luft montiert ist, ein Widerstand, der angegeben ist in Massa, Acoustic Design

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Charts, Blakiston Company, 194-2, und der mit der Frequenz steigt. Der Betriebsbereich des Lautsprechers wird am hochfrequenten Ende im wesentlichen durch den Anstieg des Membranstrahlungswiderstandes mit der Frequenz auf einen Wert begrenzt, bei dem der Trichterhalswiderstand, der frequenzunempfindlich ist, nicht mehr dominiert. Unter Berücksichtigung dieses Prinzips kann eine geeignete Trichterkonstruktion empirisch ermittelt werden. Die Größe des Trichterhalses beeinflußt das obere Ende des Betriebsbereichs des Lautsprechers hinsichtlich akzeptabler Verzerrungspegel, und die Grenzfrequenz des Trichters definiert das untere Ende des Bereichs.

Der Aufbau des Phasenstopfens gemäß Fig. 1 und 2 ist nur illustrativ , da andere Konstruktionen geeignet wären, sofern ein Phasenstopfen verwendet wird, der geeignete Ilalsimpedanzcharakteristik hat. Der spezielle dargestellte Phasenstopfen besteht aus einem konischen Spinnenelement 57, das in der sich erweiternden Zentralbohrung des Phasenstopfenkörpers 59 befestigt ist, das Spinnenelement 57 seinerseits hat seine eigene Zentralbohrung 55* die einen der Phasen-Luftkanäle 51 bildet, wobei vier zusätzliche gebogene Phasenkanäle 61 zwischen den Schenkeln 63 des Spinnenelementes 57 gebildet sind. Aus Fig. ist klar, daß ein geeigneter Luftraum 66 zwischen der Membran 43 und dem Membranende 53 des Phasenstopfens erforderlich ist, so daß relativ freie Auslenkungen der Membran in Richtung des Phasenstopfens während der Vibrationsbewegung der Membran möglich sind. Es wurde festgestellt, daß der Betrag der Verzerrung im Lautsprecher gegen die Größe dieses Luftraums empfindlich ist, und daß der Abstand zwischen der Membran 4-3 und dem Membranende 53 des Phasenstopfens 27 für beste Ergebnisse sorgfältig justiert werden muß.

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Wichtig für das Konzept der Erfindung ist die Membranaufhängung. Die Membran 43 ist an der Gehäuseeinheit 23 mit einer Membranaufhängungseinrichtung aufgehängt, die vorzugsweise aus einem ringförmigen Membranaufhängungselement 65 besteht, das an seinem Außendurchmesser am Außengehäuse 25 der Gehäuseeinheit befestigt ist. Wie dargestellt, ist die Peripherie der kuppeiförmigen Membran am Innendurchmesser des Aufhängungselementes 65 befestigt, wobei die Hülse 41 etwa von der Vereinigung der Membran mit dem Aufhängungsglied abhängt. Die Membran ist dadurch an die Gehäuseeinheit montiert, daß der Außendurchmesser des Aufhängungselementes 65 zwischen zwei Halteringe 67, 69 eingesetzt ist, so daß eine allgemein feste Membran-Sprechspule-Untereinheit gebildet wird, die leicht mit nicht dargestellten Schrauben oder anderen geeigneten Befestigungseinrichtungen an der Gehäuseeinheit befestigt bzw. von dieser gelöst werden kann. Da die Sprechspule 41 Teil der getrennt abnehmbaren Membran-Untereinheit ist, ist es wichtig, daß die Befestigungseinrichtung sorgfältig mit engen Toleranzen ausgerichtet ist, um eine genaue Zentrierung der Sprechspule im Spalt 39 zu erhalten.

Die Membran-Sprechspule-Untereinheit soll zusätzlich vorzugsweise aus einem ringförmigen schallabsorbierenden Element 71 bestehen, das um den Innendurchmesser des Halterings 69 gepaßt ist. Es wurde festgestellt, daß ein solches schallabsorbierendes Element die Hochfrequenz-Ansprecheigenschaften des Aufhängungsgliedes 65 hoher Nachgiebigkeit dämpft. Wie dargestellt, sollte das schallabsorbierende Element 71 weit genug sein, um das Aufhängeelement 65 im wesentlichen zu überdecken. .

Das Material und die Konstruktion des Membranaufhängungsgliedes 65 ist so gewählt, daß diese einen hohen Nach- .

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giebigkeitswert hat, wobei eine geeignete Nachgiebigkeit, Je nach Konstruktion, vorzugsweise in einem Nachgiebigkeitsbereich zwischen etwa 4- χ 10 m/newton bis 4- χ 1O~ m/newton liegt. Mit einer solchen Aufhängung hoher Nachgiebigkeit und der beschriebenen Trichterkonstruktion wurde festgestellt, daß vergleichsweise geringe Verzerrungen für hohe Schalldruckpegel oberhalb 90 dB erreicht werden können. Darüber hinaus kann das erreicht werden und gleichzeitig ein befriedigendes Frequenzverhalten bei Schalldruckpegeln aufrechterhalten werden, die normalerweise mit starker Verzerrung assoziiert sind. Um hohe Nachgiebigkeit zu erhalten, kann das Aufhängungsglied 65 aus einem Weichgummimaterial oder einem nachgiebigen Kunststoff, beispielsweise einem dünnen Pclyimid-Film, hergestellt werden, und zwar in einer Konstruktion, die erhebliche Flexibilität innerhalb des angegebenen Nachgiebigkeitsbereichs ergibt. Die Konstruktion des Aufhängungsgliedes, die in der Zeichnung dargestellt ist, zieht ein Kunststoffmaterial in Betracht, bei dem Material entfernt worden ist, um die Nachgiebigkeit der Struktur zu vergrößern. Das von dem Aufhängungsglied 65 entfernte Material erscheint als eine Anzahl von Öffnungen 73» die in gleichmäßigen Abständen um das Aufhängungsglied verteilt sind, wie in Fig. 3 dargestellt.

Wegen der Aufhängung hoher Nachgiebigkeit der Membran in Gegenwart einer dominierenden Trichterhalsimpedanz neigt die Distanz, um die die Membran 43 sich von ihrer Ruhe- oder zentralen Bezugs-Ebene bei jeder ihrer Vorwärts- und Rückwärts-Vibrations-Auslenkungen entfernt, dazu, durch die Kräfte bestimmt zu werden, die von. der Umgebungsluft extern auf die Membran ausgeübt werden. Die Membran sucht damit ihre eigene Verdrängung, wie

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sie von den auf sie wirkenden Kräften bestimmt wird, und liefert als Resultat eine Luftdruckschwingung mit im wesentlichen gleichen Druckvariationen um den Umgebungsdruck des Luftmediums (wobei natürlich ein Wechselstrom konstanter Amplitude durch die Sprechspule angenommen wird). Diese Vibrationsbewegung kann mit kurzen Worten als "kraftbestimmte" Bewegung charakterisiert werden, und wird auch hier so definiert, und steht im Gegensatz zu der Bewegung konstanter Verdrängung bei konventionellen Lautsprechermembranen.

haben der

Membran, um das Hochfrequenzverhalten des Lautsprechers anzuheben. Eine solche Rückwand ist in den konventionellen Konstruktionen vorgesehen, um die natürliche Tendenz des Trichters zu beseitigen, am hochfrequenten Ende abzufallen. Durch die Erfindung wird jedoch vorgesehen, daß eine solche Rückwand nicht verwendet werden soll, und daß ein großer Luftraum 75 hinter der Membran auf der vom Hals 18 des Trichters 16 weg weisenden Seite vorgesehen wird. Der Luftraum 75 soll eine Größe haben, die groß genug ist, um freie, belastungslose Verdrängungen der Membran während ihrer Rückwärtsauslenkung in diesen Luftraum zuzulassen. Es wird angenommen, daß das die Linearität der Luftdruckschwingung verbessert, die durch die Vorwärts- und Rückwärts-Auslenkungen der Membran 4-3 produziert werden. Vorzugsweise wird als Teil der Gehäuseeinheit eine relativ große Rück-Abdeckplatte 77 vorgesehen, die mit einem schallabsorbierenden Material 79 ausgekleidet ist, und die mit irgendeiner geeigneten Einrichtung am Außengehäuse 25 der Gehäuseeinheit befestigt werden kann. Die schallabsorbierende Auskleidung der Rück-Abdeckplatte 77

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verhindert unerwünschte Reflexionen van der Rück-Abdeckplatte und entsprechende Verschlechterungen des Frequenzverhaltens des Treibers.

Um die Neigung zu Hochfrequenzabfall bei der Erfindung zu beseitigen, kann in der Verstärkerschaltung eine Hochfrequenz-Anhebungsschaltung verwendet werden, um den Pegel der hochfrequenten Signale anzuheben, die in die Sprechspulenleitungen geschickt werden. Stattdessen kann eine passive Einrichtung in der Verstärkerstufe verwendet werden, um den hochfrequenten Abfall zu kompensieren. Weiter ist es bei der Erfindung wichtig, den Trichter sorgfältig so zu konstruieren, daß Fehlanpassungen an der Mündung des Trichters über den Betriebsbereich des Lautsprechers vermieden werden. Das ist wichtig, weil durch Fehlanpassungen verursachte Reflexionen an der Trichtermündung Rippel in den Widerstand des Trichterhalses einführen wurden, die ihrerseits die Verzerrungscharakteristik und das Frequenzverhalten des Lautsprechers merklich und ungünstig beeinflussen würden. Unter Verwendung bekannter Trichter-Konstruktionsprinzipien, wie sie von Don Keele, Jr. beschrieben wurden, kann eine geeignete Impedanzanpassung an der Trichtermündung erreicht werden, um die Trichtermündungsreflexionen zu minimieren und einen relativ glatten Halswiderstand über den Betriebsbereich des Lautsprechers zu erhalten.

Um das Gesamtbetriebsverhalten des Treibers nach der Erfindung zu verbessern, ist die Sprechspule 41 in ein magnetisches Fluidmaterial eingetaucht, das durch magnetische Kräfte im Spalt 39 aufgehängt ist. Ein solches magnetisches Fluidmaterial, das im Handel erhältlich ist, .ergibt eine Dämpfung des Membransystems, das aus der Membran 4-3, der Hülse 4-5 und der Sprechspule 4-1 zusammengesetzt ist, und sorgt ferner für eine

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wirksame Abfuhr der in der Sprechspule entwickelten Wärme, Das Fluid kann mit einer geeigneten Spritze oder Pipette in den Spalt der Gehäuseeinheit injiziert werden. Die optimale Viskosität des magnetischen Fluid hängt von den Konstruktionscharakteristiken des Treibers ab und kann durch geeignete Versuche gewählt werden.

Als ein Beispiel für das Betriebsverhalten eines Kompressionstreibers und Trichters nach der Erfindung wurde unter Verwendung eines Modell 808-8A Altec-Treibers mit einem Phasenstopfen der in Fig. 1 und 2 dargestellten Konstruktion eine Einheit mit folgenden Merkmalen gebaut und geprüft: ein komplexer (exponentialer/konischer) Trichter mit einer Grenzfrequenz von 1.000 Hz, einer Öffnungsgröße von 6" (15,24 cm) mal 8" (20,32 cm), einer Länge von 9,32" (23,67 cm) und einer gesamten Halsfläche, gemessen am Membranende des Phasenstopfens, von etwa 0,18 Quadratzoll (1,16 cm ) wurde mit einem Treiber mit einer Aluminium-Kuppelmembran von etwa 1,75" (4,45 cm) Durchmesser verwendet, die mit einem Polyimid-Film-Aufhängungsglied mit einer Nachgiebig-

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keit von etwa 1,0 χ 10 ^ m/newton aufgehängt war. Der Abstand zwischen Phasenstopfen und Membran betrug etwa 0,034" (0,o86 cm). Ein Ferrofluid (magnetisches Fluid) das von der Ferrofluidics Corporation hergestellt wird und eine Viskosität von 500 centipoi.se hat, wurde im Sprechspulenspalt verwendet, wobei das Spaltfeld etwa 15.000 gauss maß. Während des Tests wurde der Lautsprecher mit einem 60-Watt-Leistungsverstärker angetrieben, in Verbindung mit einer Entzerrerschaltung mit den folgenden Anhebungscharakteristiken:

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Frequenz dB von 1.600 Hz

1.600 Hz O

3.000 + 4 dB

6.000 + 9 dB

11.000 + 16 dB

15-000 + 18 dB

18.000 + 18 dB

Der TestlautSprecher wurde in einem schalltoten Raum in 1 m Abstand auf der Achse geprüft und ergab die folgenden Resultate für die zweite und dritte Harmonische:

Freq.(kHz)	90	dB SDP	100 dB	SDP	110 dB	SDP
	2.	3.	2.	3.	2.	3.
1,6	-45c	IB -55dB	-45dB	-5OdB	-38dB	-4OdB
2,0	-50	-60	-45	-50	-40	-48
3,0	-52	-60	-45	-55	-40	-45
4,0	-53	-60	-45	-58	-40	-50
6,0	-50	-60	-45	-60	-40	-48
8,0	-48	-55	-45	-60	-40	-50'
10,0	-45	-54	-40	-55	-38	-50

Zusätzlich lagen alle Zweiton-Intermodulationsprodukte von 2.000 Hz und 10.000 Hz mindestens -5OdB bei 90 dB SDP.

Das Frequenzverhalten für die obige Testeinheit war ± 2,5 dB auf der Achse innerhalb des angegebenen Frequenzbereichs. Der Schalldruckpegel (SDP) außerhalb der Achse zeigte einen Abfall von -6 dB gegenüber dem Schalldruckpegel auf der Achse, wobei das Gesamtverhalten ΐ 3 dB für den gleichen Frequenzbereich betrug.

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Die Erfindung ist ein neuartiger Schalltrichter-Lautsprecher und Kompressionstreiber für denselben, bei dem ein neuartiges Membranaufhängungssystem hoher Nachgiebigkeit in Gegenwart einer dominierenden Trichterhalsimpedanz verwendet wird, um eine verzerrungsarme Schallwelle bei hohen Schalldruckpegeln ohne merkliche Verschlechterung des Gesamtfrequenzverhaltens zu erzeugen. Die Erfindung umfaßt auch ein Verfahren zur Erzeugung verzerrungsarmen Schalls bei hohen Schalldruckpegeln durch Antreiben einer Sprachmembran in einer Vibrationsbewegung, die gekennzeichnet ist durch im wesentlichen kraftbestimmte nicht-lineare Auslenkungen, im Gegensatz zu im wesentlichen linearen Auslenkungen konstanter Verdrängung.

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Claims

23Ü416Q

Patentansprüche

Verzerrungsarmer Kompressionstreiber für einen Schalltrichter-Lautsprecher, gekennzeichnet durch eine Gehäuseeinheit mit Luftkanaleinrichtungen, die an der Mündungsendesektion eines Trichters derart befestigt werden kann, daß die Trichtermündungsende Sektion mit der Luftkanaleinrichtung der Gehäuseeinheit in Verbindung steht, um einen Schalltrichter zu definieren, der in der Gehäuseeinheit an einem Halsende endet, eine Sprachmembran, die in der Gehäuseeinheit derart angeordnet ist, daß sie mit dem Halsende des Trichters luftgekoppelt ist, und dadurch gekennzeichnet, daß das Halsende des Schalltrichters so bemessen ist, daß ein Halswiderstand dargeboten wird, der den Strahlungswiderstand der Membran über den Betriebsbereich des Treibers im wesentlichen dominiert, eine Membran-Aufhängungseinrichtung vorgesehen ist, mit der die Membran an der Gehäuseeinheit aufgehängt wird und deren Nachgiebigkeit relativ hoch ist, so daß die Vibrationsbewegung in Gegenwart des dominierenden Ilalswiderstandes des Schalltrichters charakterisiert ist durch im wesentlichen kraftbestimmte Membranauslenkungen im Gegensatz zu im wesentlichen linearen Auslenkungen konstanter Verdrängung, so daß die Vibrationsbewegung der Membran dazu neigt, das nicht-lineare Verhalten von Luftdruckschwingungen zu kompensieren, die sonst

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durch eine linear vibrierende Membran produziert würden, so daß die Verzerrung in der Luftdruckschwingung und damit in dem dadurch produzierten Schall reduziert wird, und daß eine Einrichtung vorgesehen ist, mit der der Sprachmembran eine Vibrationsbewegung aufgrund eines extern angelegten tonfrequenten elektrischen Signals erteilt wird.
2. Treiber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf der dem Hals des Schalltrichters abgewandten Seite der Sprachmembran ein Luftraum vorgesehen ist, dessen Größe groß genug ist, um im wesentlichen freie, belastungslose Verdrängung der Membran während einer Rückwärtsauslenkung zu erlauben.
3. Treiber nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Luftraum hinter der Membran durch eine Rückabdeckung gebildet ist, die mit einem schallabsorbierenden Material ausgekleidet ist.
4·. Treiber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Nachgiebigkeit der Membran-Aufhängungseinrichtung im Bereich allgemein zwischen 4 χ 10 m/newton bis 4- χ 10" m/newton liegt.
5. Treiber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufhängungseinrichtung hoher Nachgiebigkeit ein im wesentlichen ringförmiges Aufhängungsglied aufweist, das an seinem Innenumfang um die Peripherie der Sprachmembran befestigt ist und am Außenumfang an der Gehäuseeinheit befestigt ist.

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6. Treiber nach Anspruch 5? dadurch gekennzeichnet, daß das Aufhängungsglied aus einem Veichgummimaterial besteht.
7- Treiber nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Aufhängungsglied aus einem flexiblen Kunststoffmaterial hergestellt ist.
8. Treiber nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß aus dem ringförmigen Aufhängungsglied Material entfernt ist, so daß Öffnungen im Abstand um den Umfang des ringförmigen Aufhängungsgliedes gebildet werden, so daß die erhöhte Nachgiebigkeit des Aufhängungsgliedes erreicht wird.
9. Verzerrungsarmer Kompressionstreiber für einen Schalltrichter-Lautsprecher, gekennzeichnet durch eine Gehäuseeinheit mit einer Luftkanaleinrichtung, die an der Mündungsendesektion eines Trichters befestigt werden kann, so daß die Trichteröffnungsendsektion mit der Luftkanaleinrichtung der Gehäuseeinheit in Verbindung steht, so daß ein Schalltrichter definiert wird, der an einem Halsende in der Gehäuseeinheit endet, einen magnetischen Rückführkreis in der Gehäuseeinheit, der in dicht einandergegenüberstehenden Flächen endet, so daß zwischen diesen ein Spalt gebildet wird, eine magnetische Flußquelle, mit der in dem Spalt ein konstantes Magnetfeld induziert wird, eine stromführende Sprachspuleneinrichtung, die in dem Spalt angeordnet ist, eine Sprachmembran, die fest mit der Sprachspuleneinrichtung verbunden ist, so daß eine Vibrationsbewegung der Spule, die durch den durch sie hindurchfließenden variablen Strom in Gegenwart des konstanten Magnetfeldes induziert wird,

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entsprechende Vibrationsbewegung der Membran erteilt, wobei die Sprachmembran mit dem Halsende des Trichters luftgekoppelt ist, und dadurch, daß das Halsende des Schalltrichters so bemessen ist, daß ein Halswiderstand gebildet wird, der den Strahlungswiderstand der Membran über den Betriebsbereich des Treibers im wesentlichen dominiert, daß eine Membran-Aufhängungseinrichtung vorgesehen ist, mit der die Membran an der Gehäuseeinheit aufgehängt wird, wobei die Nachgiebigkeit der Membran-Aufhängungseinrichtung relativ hoch ist, so daß die "Vibrationsbewegung der Membran in Gegenwart des dominierenden Halswiderstandes des Schalltrichters charakterisiert ist durch im wesentlichen kraftbestimmte Membranauslenkungen, im Gegensatz zu im wesentlichen linearen Auslenkungen konstanter Verdrängung, so daß die Vibrationsbewegung der Membran dazu neigt, das nicht-lineare Verhalten von Luftdruckschwingungen zu kompensieren, die sonst durch eine linear vibrierende Membran produziert würden, so daß die Verzerrung in der Luftdruckschwingung und damit in dem dadurch erzeugten Schall reduziert wird, und daß auf der der Luftkanaleinrichtung abgewandten Seite der Membran ein Luftraum vorgesehen ist, der groß genug ist, um im wesentlichen freie, belastungslose Verdrängung der Membran während einer Rückwärtsauslenkung derselben zuzulassen.
10. Treiber nach Anspruch 9* dadurch gekennzeichnet, daß die Nachgiebigkeit der Membran-Aufhängungseinrichtung

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allgemein zwischen 4- χ 10 m/newton und 4 χ 10 m/newton liegt.

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11. Treiber nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch ein magnetisches Fluid, das durch magnetische Kraft in dem Sprechspulenspalt gehalten wird, so daß die Sprechspuleneinrichtung in dem Fluid angeordnet ist.
12. Verzerrungsarmer Kompressionstreiber für einen Schalltrichter-Lautsprecher, gekennzeichnet durch eine Gehäuseeinheit, die an der Mündungsendesektion eines Schalltrichters befestigt werden kann und die besteht aus einem Außengehäuse, einem von dem Außengehäuse umgebenen Phasenstopfen, der eine Luftkanaleinrichtung aufweist, die mit der Trichtermündungs-Endsektion in Verbindung steht, wenn diese an der Gehäuseeinheit befestigt ist, wobei die Luftkanaleinrichtung und die Schalltrichtermündungs-Endsektion einen Schalltrichter definieren, der in der Gehäuseeinheit an einem Halsende endet, wobei das Außengehäuse und der Phasenstopfen einen magnetischen Rückführkreis haben, der in eng einandergegenüberliegenden Flächen endet, um zwischen sich einen Ringspalt zu bilden, eine Quelle für Magnetfluß zur Induzierung eines konstanten Magnetfeldes in dem Ringspalt, ein magnetisches Fluid, das durch magnetische Kraft in dem Sprechspulenspalt suspendiert ist, und eine stromführende Sprechspuleneinrichtung, die in dem magnetischen Fluid angeordnet ist, eine allgemein kuppeiförmige Sprachmembran, die fest an der Sprechspule befestigt ist, so daß eine Vibrationsbewegung der Sprechspule, die durch veränderlichen Strom induziert wird, der in Gegenwart des Magnetfeldes durch sie hindurchfließt, der Membran eine entsprechende Vibrationsbewegung erteilt, wobei die Sprachmembran so angeordnet ist, daß sie mit dem

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Halsende des Schalltrichters luftgekoppelt ist, dadurch, daß das Halsende des Schalltrichters eine solche Größe hat, daß ein Halswiderstand gebildet wird, der den Strahlungswiderstand der Membran über den Betriebsbereich des Treibers dominiert, daß ein ringförmiges Membran-Aufhängungsglied relativ hoher Nachgiebigkeit am Außengehäuse der Gehäuseeinheit befestigt ist, um die Membran zwischen dem Phasenstopfen und dem von der Rückwand gebildeten Luftraum aufzuhängen, wobei die Nachgiebigkeit des ringförmigen Aufhängungsgliedes im Bereich allgemein zwischen

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4- χ 10 m/newton und 4· χ 10 m/newton liegt, und daß eine Rückenabdeckung an dem Gehäuse befestigt ist, um einen Luftraum auf der dem Phasenstopfen abgewandten Seite der Membran zu bilden, der mit einem schallabsorbierenden Material ausgekleidet ist, wobei der Luftraum hinter der Membran eine ausreichende Größe hat, um freie, belastungslose Verdrängungen der Membran während einer Rückwärtsauslenkung zu erlauben.
13. Treiber nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch ein ringförmiges schallabsorbierendes Element, das im wesentlichen hinter das ringförmige Aufhängeglied im wesentlichen dem Spalt gegenüber plaziert ist.
14. Verzerrungsarmer Trichter-Lautsprecher, gekennzeichnet durch eine Gehäuseeinheit, einen Schalltrichter mit einem Mündungsende und einem Halsende, einer Sprachmembran, die in der Gehäuseeinheit so angeordnet ist, daß sie mit dem Halsende des Schalltrichters luftgekoppelt ist, wobei das Halsende des Schalltrichters eine solche Größe hat, daß ein Halswiderstand gebildet wird, der den Strahlungswiderstand der Membran über den Betriebsbereich des Sprechers im

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wesentlichen dominiert, eine Membran-Aufhängungseinrichtung zum Aufhängen der Membran an der Gehäuseeinheit, wobei die Nachgiebigkeit der Membran-Aufhängungseinrichtung relativ hoch ist, so daß die Vibrationsbewegung der Membran in Gegenwart des dominierenden Halswiderstandes des Schalltrichters charakterisiert ist durch im wesentlichen kraftbestimmte Auslenkungen, im Gegensatz zu im wesentlichen linearen Auslenkungen konstanter Verdrängung, so daß die nichtlineare Vibrationsbewegung der Membran dazu neigt, das nicht-lineare Verhalten von Luftdruckschwingungen zu kompensieren, die sonst durch eine linear vibrierende Membran produziert würden, so daß die Verzerrung in der Luftdruckschwingung und damit in dem durch sie produzierten Schall reduziert wird, und eine Einrichtung zur Erteilung einer Vibrationsbewegung an die Sprachmembran aufgrund eines extern angelieferten tonfrequenten elektrischen Signals.
15. Lautsprecher nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß auf der dem Halsende des Schalltrichters abgewandten Seite der Sprachmembran ein Luftraum vorgesehen ist, dessen Größe groß genug bemessen ist, um eine im wesentlichen freie, belastungslose Verdrängung der Membran während einer Rückwärtsauslenkung derselben zuzulassen.
16. Lautsprecher nach Anspruch 15i dadurch gekennzeichnet, daß der Luftraum hinter der Membran durch eine Rückwand gebildet ist, die mit einem schallabsorbierenden Material ausgekleidet ist.
17. Lautsprecher nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Nachgiebigkeit der Membran-Aufhängungseinrichtung

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_2 in einem Bereich, allgemein zwischen 4 χ 10 m/newton bis 4- χ 10 m/newton liegt.
18. Lautsprecher nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufhängeeinrichtung hoher Nachgiebigkeit ein im wesentlichen ringförmiges Aufhängeglied aufweist, das an seinem Innenumfang um die Peripherie der Sprachmembran befestigt ist und am Außenumfang an der Gehäuseeinheit.
19· Lautsprecher nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß das Aufhängungsglied aus einem Weichgummimaterial hergestellt ist.
20. Lautsprecher nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß das Aufhängungsglied aus einem flexiblen Kunststoff material hergestellt ist.
21. Lautsprecher nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß aus dem ringförmigen Aufhängeglied Material entfernt ist, um öffnungen im Abstand um den Umfang des ringförmigen Aufhängegliedes zu bilden, so daß eine höhere Nachgiebigkeit des Aufhängungsgliedes erreicht wird.
22. Verfahren zur Erzeugung verzerrungsarmen Schalls von einem Schalltrichter-Lautsprecher mit einer Sprechmembran, die mit dem Halsende des Trichters des Lautsprechers luftgekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Sprachmembran in einer Vibrationsbewegung angetrieben wird, die gekennzeichnet ist durch im wesentlichen kraftbestimmte Auslenkungen, im Gegensatz zu im wesentlichen linearen Auslenkungen konstanter Verdrängung.

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