DE3709700A1 - Lautsprechergehaeuse - Google Patents
LautsprechergehaeuseInfo
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Description
Bei der Erfindung handelt es sich um ein geschlossenes Lautspre
chergehäuse in welches neben aktiven elektromechanischen Wandlern
auch noch eine, oder mehrere passive Membranen zur Verstärkung
der Schallabstrahlung eingebaut sind, die von den
Druckschwankungen im Innern des Gehäuses in Bewegung versetzt
und möglichst frei und dämpfungsarm angetrieben werden.
Es ist bekannt, zur Verstärkung der Basswiedergabe, passive Mem
branen in Lautsprechergehäuse einzubauen. Sie werden durch die
Druckschwankungen, die der aktive Wandler im Innern des Gehäu
ses erzeugt, zum Schwingen angeregt.
Die Eigenresonanz der passiven Membranmasse, in Verbindung mit der
Federkraft des eingeschlossenen Luftvolumens, wird etwas unterhalb
der 3-dB Grenzfrequenz des aktiven Wandlers in einem entsprechend
geschlossenen Gehäuses gelegt. Es findet dann eine Bassverstärkung
im Bereich des Resonanzfrequenz der passiven Membrane statt.
Herkömmliche passive Membranen sind wie elektrodynamische Laut
sprecher, allerdings ohne Schwingspule/Magnet - Antriebssystem
aufgebaut. Für deren Fertigung finden herkömmliche Einzelteile
elektrodynamischer Lautsprecher, wie Membranen, Sicke, Zentrier
spinne und Lautsprecherkorb Anwendung. Ihre Membranen sind aus
steifem, aber möglichst leichtem Material und schwingen kolben
förmig ohne sich zu verformen. Die bassverstärkende Wirkung ist
auf
einen relativ kleinen Frequenzbereich begrenzt und wird durch eine
zusätzliche Resonanz erreicht. Dies führt zu einer zwar lauteren,
aber unsauberen Basswiedergabe.
Entwicklungsziel bei Lautsprecherboxen ist eine tiefreichende
Basswiedergabe mit gutem Wirkungsgrad bei kleinen Gehäuseabmes
sungen. Allerdings sind bei herkömmlichen Konstruktionen
geschlossener Gehäuse, die Grenzfrequenz, der Wirkungsgrad und
das Volumen über folgende Formel verknüpft. Dies gilt für einen
Dämpfungsfaktor des Masse/Feder- Systems der aktiven Membrane
von 0,7, welcher klanglich als optimal empfunden wird.
Grenzfrequenz/Hz=233 [(el.Leist. für 91 dB in 1m)×(Volumen)]-1/3;
Es sind verschiedene Massnahmen vorgeschlagen worden, die Bass
wiedergabe von Gehäuselautsprechern zu verbessern.
- - Bassreflexsysteme
- - Passivmembrane
- - Transmission - Line Anordnung
- - Horn
- - Dämpfungseinrichtungen im Gehäuse
Bassreflexsysteme, herkömmlicher Passivmembranen und Transmission-
Line sind von der Wirkung her ähnlich. Sie erzeugen eine zusätz
liche Resonanz unterhalb der Grenzfrequenz des Wandlers.
Dies führt zu einer geringfügigen Erweiterung des abgestrahlten
Frequenzbereiches. Der Schalldruck fällt allerdings unterhalb
der Grenzfrequenz steiler ab.
Hornsysteme fordern Schallkanalabmessungen, die mit dem 4.Teil
der Wellenlänge der untersten abgestrahlten Frequenz überein
stimmen. Sie können nicht mineaturisiert werden und produzie
ren hörbar typische Verfärbungen und eine starke Richtwirkung.
Darüber hinaus sind Einbauten in das Gehäuse bekannt geworden,
die eine Dämpfung des in das Gehäuse abgestrahlten Schalles ver
ursachen (DE 18 496 C3 und DE 31 02 870 A1). Diese Einbauten
bestehen aus mitschwingenden Elementen, die stark bedämpft werden
und teilweise strömungsdurchlässig sind.
Bei niederen Frequenzen findet ein Strömungsaustausch mit der
Aussenluft statt (akustischer Kurzschluss). Die beschriebenen
Einbauten sollen eine geringere Rückwirkung auf die Membrane des
Wandlers verursachen und dadurch die Dynamik verbessern.
Eine Erweiterung des Frequenzbereiches nach unten ist nicht
Zielsetzung dieser Konstruktion und ist damit auch nicht möglich.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Lautsprechergehäuse
zu schaffen, die eine tiefe, saubere Basswiedergabe bei kleinen
Abmessungen erlauben.
Erfindungsgemäss werden in das Lautsprechergehäuse eine, oder
mehrere passive Membranen zur Schallabstrahlung eingebaut,
die infolge der, von der aktiven Membrane des Wandlers erzeugten
Druckschwankungen im Gehäuse, zu Schwingungen angeregt werden und
so ausgebildet sind, dass sie in Verbindung mit der Federkraft
des eingeschlossenen Luftvolumens und der eigenen inneren
Federkraft, die Verformungen entgegenwirkt, in einem möglichst
großen Frequenzbereich möglichst viele Resonanzen ausbilden kann.
Dieses Verhalten führt zu einer Transformation der relativ ge
ringen mechanischen Impedanz des Wandlers, auf den relativ hohen
Wert des Strahlungswiderstandes von Luft, so dass durch bessere
Anpassung mehr Energie vom Wandler in das Strahlungsfeld abge
geben werden kann.
Im Unterschied zu Einbauten im Gehäuse, die der Schalldämpfung
dienen, erzeugt die passive Membrane im gewünschten Arbeitsgrenz
bereich infolge ihrer Eigenschwingung, einen höheren Druck im
Gehäuse, gegen den die Membrane des Wandlers arbeiten muss.
Daraus resultiert eine höhere Abgabe mechanischer Leistung des
Wandlers, die von der passiven Membrane auf das Schallfeld
übertragen wird.
Voraussetzung für gute Wirkungsweise ist ein annähernd
luftdichtes Lautsprechergehäuse. Auch die passive Membrane muss so
ausgebildet sein, dass sie luftundurchlässig ist.
Dieses Verhalten führt zu einer bassverstärkenden Wirkung in
dem Frequenzbereich, in welchem Schwingungsmoden der passiven
Membrane liegen. Damit ist es möglich, bei gleichem Volumen
und Wirkungsgrad eines vergleichsweise geschlossenen Lautspre
chers, die untere Grenzfrequenz wesentlich zu erniedrigen.
Dies bedeutet einen grossen technischen Fortschritt,
da bei herkömmlichen Gehäusekonstruktionen zur Erniederung der
unteren Grenzfrequenz um z.B. eine Oktave, das Volumen, oder die
zugeführte Leistung um den Faktor 8 erhöht werden muss.
Die Erfindung erlaubt Volumenreduzierungen des Gehäuses um den
Faktor 4 ohne dass Einbussen an Wirkungsgrad oder Basswiedergabe
hingenommen werden müssen.
Die breitbandige Abstrahlung der passiven Membrane verbessert
darüber hinaus ganz wesentlich die akustische Anpassung der
aktiven Membrane, an das Strahlungsfeld, was zu einem
sauberen und impulstreuen Klangbild führt.
In einer Ausführungsform, besteht die gesamte Rückwand des
Lautsprechergehäuses (1) aus einer flachen, elastischen Membrane
(2) aus Gummi, oder Moosgummi (siehe Fig. 1).
Sie wird durch Druckschwankungen im Gehäuse (1), erzeugt von der
aktiven Membrane des Wandlers (4), in Schwingungen versetzt
die möglichst dämpfungsarm und ungehemmt erfolgen sollen.
Die Dicke der Membrane bestimmt wesentlich die unterste Resonanz
frequenz und beträgt typischerweise einige Millimeter. Die geo
metrische Form des Einspannungsprofiles (2) der passiven Membrane
hat Einfluss auf die Frequenzlage der einzelnen Schwingungsmoden.
Es kann zur Einstellung des Frequenzganges und der Bandbreite be
liebig gestaltet werden.
Die Frequenzlage und Ausprägung der Schwingungsmoden lässt sich
noch über folgende konstruktiven Massnahmen der passiven Membrane
beeinflussen:
- - inhomogene Dicke
- - inhomogene Masseverteilung
- - inhomogene Elastizität
- - Anbringung von Massepunkten
- - Zusammensetzung aus Elementen unterschiedlicher Masse und Elastizität, die sich in einer Ebene befinden.
- - unterschiedliche Elastizität in den verschiedenen Freiheits graden, durch Einbau von versteifenden Elementen.
- - Abstüzung an Punkten, Linien oder Flächen.
Natürlich ist auch eine kombinierte Anwendung der beschriebenen,
konstruktiven Massnahmen ein Merkmal der Erfindung.
Fig. 2 zeigt eine Ausführungsform der passiven Membrane, die
durch Zusammensetzung aus Elementen unterschiedlicher Masse und
Elastizität aufgebaut ist. Auf diese Weise lässt sich sehr einfach
die gewünschte Charakteristik der Schwingungsmoden einstellen.
Die Membrane ist aufgebaut aus schweren und steifen Masseele
menten (5), und elastischen Verbindungselementen (6).
Sehr geeignet ist die Anwendung der erfindungsgemässen Massnahme
auf Gehäuseformen, die keine stehenden Wellen im Innern entstehen
lassen, wie Zylinderform, Kugelform, Pyramidenform u.s.w.
Die Fig. 3 zeigt eine besonders kostengünstige Konstruktion
eines Gehäuselautsprechers unter Anwendung der Zylinderform (9).
Der Wandler (7) ist asymmetrisch auf der Stirnseite eingebaut.
Die rückseitige, radiale Schnittfläche wird von der passiven Mem
brane (8) bedeckt.
Fig. 4 zeigt einen pyramidenförmigen Gehäuselautsprecher. Die
passive Membrane (10) ersetzt entweder die Rückwand, oder die
Bodenfläche.
Die Gehäusebauformen nach den Fig. 3 und 4 beispielsweise,
haben den Vorteil, kein oder nur wenig Dämpfungsmaterial im
Innern des Gehäuses zu benötigen. Somit wird im Gehäuse keine
Schallleistung vernichtet und der gewünschte Abstrahlungseffekt
der passiven Membrane ist stärker ausgeprägt.
Die passive Membrane kann auf allen Seiten eines Lautsprecher
gehäuses angebracht sein. Ebenso können mehrere Membranen
vorgesehen werden. Auch die Anbringung einer passiven Membrane
an der verbleibenden Fläche der Frontseite ist möglich.
Eine symmetrische Anordnung in der Weise, dass zwei Mem
branen im Gegentakt schwingen, kompensiert die von den Membranen
in das Gehäuse eingeleiteten Kräfte.
Wo zwei Lautsprechergehäuse in einer Baueinheit Verwendung finden
(z.B. Stereofernseher), ist die Anbringung der passiven Membrane
jeweils an der Gehäuseseite sinnvoll. Es findet dann keine Ein
leitung von schädlichen, tieffrequenten Vibrationen in die
Elektronik statt.
Passivmembranen der beschriebenen Form werden erfindungsgemäss in
Gehäuse eingebaut, die folgendermassen bestückt sind:
- - Vollbereichswandler
- - Mehrwegesystem
- - zwei oder mehrere Tieftöner akustisch in Serie, zur Erhöhung der auf das eingeschlossene Luftvolumen ausgeübten Kraft.
- - mehrere Tieftöner zur Vergrösserung der wirksamen Membran fläche auf das äussere Luftvolumen.
Da in dem erfindungsgemässen Gehäuse höhere Drücke auftreten,
als in konventionellen Konstruktionen, ist es möglich das Ge
häusevolumen unter Beibehaltung der akustischen Eigenschaften
durch besondere Massnahmen weiter zu reduzieren.
Sie sind dadurch gekennzeichnet, dass im Lautsprechergehäuse
ein kleineres Gehäuse mit druckabhängigem Volumen eingebracht ist.
Die Federkonstante "Druck/Volumenänderung" wird durch folgende
Massnahmen kleiner, als bei nur eingeschlossener Luft gestaltet,
und somit das Gehäuse akustisch vergrössert:
- - Gehäuse gefüllt mit Gas und einem dieses Gas lösenden Medium
- - Gehäuse gefüllt mit Gas und Flüssigkeit desselben Stoffes im Dampfdruckgleichgewicht.
Alle diese Innengehäuse müssen zur druckabhängigen Variierung
ihres Volumens mindestens eine elastische Wand besitzen.
Die Erfindung ist auf die verschiedenartigsten Lautsprecher
systeme anwendbar wie z.B.:
- - Hi Fi - Lautsprecher
- - Beschallungsanlagen
- - Musiker - Lautsprecher
- - Fernseher
- - Kofferradios
Claims (42)
1. Luftdicht geschlossenes Lautsprechergehäuse mit einem,
oder mehreren, eingebauten
elektromechanischen Wandlern, die eine bewegliche, aktive
Membrane zur Schallabstrahlung haben, welche an das äussere
und eingeschlossene Luftvolumen angekoppelt ist, und mit
einer passiven Membrane zur Schallabstrahlung, die an das
äussere und innere Luftvolumen angekoppelt ist und von den
Druckschwankungen im Gehäuse möglichst verlustfrei und
dämpfungsarm angetrieben wird,
dadurch gekennzeichnet, dass
die passive Membrane so ausgebildet ist, dass Sie in
Verbindung mit der Federkraft des eingeschlossenen
Luftvolumens und der eigenen, inneren Federkraft, die
Verformungen entgegenwirkt, in einem möglichst grossen
Frequenzbereich möglichst viele Resonanzen ausbilden kann.
2. Lautsprechergehäuse nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
die passive Membrane eben ausgebildet ist.
3. Lautsprechergehäuse nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
die passive Membrane aus Gummi besteht.
4. Lautsprechergehäuse nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
die passive Membrane aus Moosgummi besteht.
5. Lautsprechergehäuse nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
die passive Membrane aus einer Kombination von elastischen
und weniger elastischen, oder festen Elementen besteht, deren
Schwerpunkte sich innerhalb der Membranebene befinden.
6. Lautsprechergehäuse nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
die passive Membrane über der Fläche ortsabhängige,
mechanische Eigenschaften aufweist.
7. Lautsprechergehäuse nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Verteilungsfunktion der mechanischen Eigenschaften
geometrische Symmetrieeigenschaften aufweist.
8. Lautsprechergehäuse nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
die tiefste Resonanzfrequenz der passiven Membrane etwa eine
Oktave unterhalb der Resonanzfrequenz des aktiven
Wandlers bei festgehaltener, passiver Membrane liegt.
9. Lautsprechergehäuse nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
auf der passiven Membrane Massepunkte befestigt sind.
10. Lautsprechergehäuse nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
die passive Membrane eine Dicke von mindestens einem
Millimeter aufweist.
11. Lautsprechergehäuse nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
die passive Membrane rund ist.
12. Lautsprechergehäuse nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
die passive Membrane eine geometrische Aussenkontur hat, die
die Ausprägung von möglichst vielen Schwingungsmoden zulässt.
13. Lautsprechergehäuse nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
die passive Membrane die Rückwand des Lautsprechergehäuses
ganz oder zum Teil ersetzt.
14. Lautsprechergehäuse nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
die passive Membrane den Boden des Lautsprechergehäuses
ganz oder zum Teil ersetzt.
15. Lautsprechergehäuse nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Schwingung der passiven Membrane möglichst ungedämpft
und ungehemmt erfolgen kann.
16. Lautsprechergehäuse nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
die passive Membrane grösser als die aktive Membrane des
Wandlers ist.
17. Lautsprechergehäuse nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
die passive Membrane schwerer als die aktive Membrane des
Wandlers ist.
18. Lautsprechergehäuse nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
in einem Lautsprechergehäuse mehrere Passivmembranen in der
Weise angeordnet sind, dass sie das eingeschlossene und
externe Luftvolumen berühren.
19. Lautsprechergehäuse nach Anspruch 18,
dadurch gekennzeichnet, dass
zwei identisch aufgebaute Passivmembranen in der Weise ange
ordnet sind, dass sie sich im Gegentakt bewegen und sich die
in′s Gehäuse eingeleiteten Kräfte, infolge Membranbewe
gung, kompensieren.
20. Lautsprechergehäuse nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Lautsprechergehäuse mit einem Vollbereichwandler
bestückt ist.
21. Lautsprechergehäuse nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Lautsprechergehäuse ein Mehrwege-Lautsprechersystem
beherbergt.
22. Lautsprechergehäuse nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
zwei oder mehrere Wandler in der Weise akustisch in Serie
geschaltet sind, dass sich die Kraft ihrer Membranen auf das
eingeschlossene und externe Luftvolumen addieren.
23. Lautsprechergehäuse nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
mehrere Wandler in der Weise eingebaut sind, dass ihre Mem
branen das eingeschlossene und externe Luftvolumen
berühren.
24. Lautsprechergehäuse nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Lautsprechergehäuse zylindrisch ist.
25. Lautsprechergehäuse nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Lautsprechergehäuse kugel- oder halbkugelförmig ist.
26. Lautsprechergehäuse nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Passivmembrane eine nichtebene, an die Gehäuseform ange
passte Formgebung hat.
27. Lautsprechergehäuse nach Anspruch 26,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Form der passiven Membrane über feste mechanische
Stützstellen oder Stützlinien aufgespannt wird.
28. Lautsprechergehäuse nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Lautsprechergehäuse in zwei oder mehrere Kammern unter
teilt ist die über Öffnungen, kleiner als der Membrandurch
messer des flächenmässig grössten Wandlers, miteinander ver
bunden sind.
29. Lautsprechergehäuse nach Anspruch 28,
dadurch gekennzeichnet, dass
der passiven Membrane im Gehäuse eine feste Wand gegenüber
steht, die mit einer oder mehreren Öffnungen versehen ist,
welche den akustischen Kontakt zum aktiven Wandler herstel
len.
30. Lautsprechergehäuse nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet, dass
auf der passiven Membrane Zusatzmassen über Federelemente
an der Membrane befestigt sind.
31. Lautsprechergehäuse nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
sich im Lautsprechergehäuse kein Material zur Dämpfung von
Hohlraumschwingungen befindet.
32. Lautsprechergehäuse nach Anspruch 24,
dadurch gekennzeichnet, dass
es zylinderförmig ist, wobei die passive Membrane eine
radiale Schnittfläche abdeckt, und der aktive Wandler in
diese Schnittfläche, oder der gegenüberliegenden
Gehäusewand eingebaut ist.
33. Lautsprechergehäuse nach Anspruch 32,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Wandler ausserhalb des Mittelpunktes der radialen
Schnittfläche eingebaut ist.
34. Lautsprechergehäuse nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
im Lautsprechergehäuse ein kleines, abgeschlossenes Gehäuse
eingebracht ist, das sein Volumen durch Druckschwankungen
ändern kann.
35. Lautsprechergehäuse nach Anspruch 34,
dadurch gekennzeichnet, dass
das kleinere, innere Gehäuse elastische Wände hat.
36. Lautsprechergehäuse nach Anspruch 34,
dadurch gekennzeichnet, dass
das kleinere, innere Gehäuse mit Gas und dieses Gas löslich
aufnehmenden, Substanzen gefüllt ist.
37. Lautsprechergehäuse nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Gehäuse aus Kunststoff besteht.
38. Lautsprechergehäuse nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
die passive Membrane die gesamte, nicht vom Wandler ein
genommene Fläche, der Vorderseite des Gehäuses überdeckt.
39. Lautsprechergehäuse nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
die passive Membrane eine Seitenfläche des Gehäuses ganz
oder zum Teil einnimmt.
40. Lautsprechergehäuse nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
alle Begrenzungsflächen mit einer passiven Membrane aus
gestattet sind.
41. Lautsprechergehäuse nach Anspruch 24,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Zylinder eine Höhe hat, die kleiner, oder nicht
wesentlich grösser als der Durchmesser ist
42. Lautsprechergehäuse nach Anspruch 24,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Betriebsstellung des Zylinders waagerecht ist.
43. Lautsprechermembrane nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Rückstellkraft der passiven Membrane hauptsächlich
aus der Federkraft des eingeschlossenen Luftvolumens
aufgebracht wird.
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