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Hornlautsprecher mit mehreren zur Erzielung einer vorgegebenen Richtcharakteristik
, fächerartig angeordneten Exponentialhörnern, insbesondere Hochtonlautsprecher
Da Hornlautsprecher im Hochtongebiet stets eine ausgesprochene Richtcharakteristik
zeigen, deren Hauptachse bei Benutzung von Exponentialhörnern in der Achse des Hornes
liegt, pflegt man zur gleichmäßigen Beschallung größerer Raumwinkel eine Mehrzahl
von gleichartigen Exponentialhörnern fächerartig anzuordnen und einer gemeinsamen
Membran zuzuordnen. Auf diesem Wege gelingt es, bei Hochtonlautsprechern eine angenähert
halbkugelförmige Richtcharakteristik und damit die erforderliche Übereinstimmung
des Hochtonschallfeldes mit dem Schallfelde des meist eine halbkugelförmige Richtcharakteristik
aufweisenden Tieftonlautsprechers zu erzielen.
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In der Praxis entsteht nun häufig das Bedürfnis, Richtcharakteristiken
von genau vorbestimmtem, von der Halbkugelform abweichendem, beispielsweise etwa
einem Spiralsegment entsprechendem Verlaufe zu erzielen. Dieser Fall liegt z. B.
vor, wenn man einen rechteckigen Raum von einer Ecke her gleichmäßig mit Schall
ausfüllen will, sowie vor allem dann, wenn durch zwei symmetrisch zum scheinbaren
Schallquellpunkt (Rednerpult, Orchester, Tonfilmbildwand) angeordneteLautsprechersysteme
einestereophonische Schallwiedergabe erzielt werden soll. Da sich die Richtcharakteristiken
der einzelnen fächerförmig angeordneten-Hörner zur Vermeidung von Einbrüchen in
der Gesamtcharakteristik stets ausreichend überdecken müssen, kann man einseitig
betonte und doch gleichmäßig verlaufende Charakteristiken nur dadurch erzielen,
daß man die einzelnen Hörner des Fächers mit abgestuft verschiedener Intensität
strahlen läßt. Man hat daher bereits vorgeschlagen, die einzelnen Hörner des Fächers
in solchen Fällen verschiedenen Membranen zuzuordnen und diese Membranen dann mit
den entsprechend abgestuften Ausgangsleistungen eines elektrischen Netzwerkes anzutreiben.
Anordnungen dieser Art werden jedoch verhältnismäßig kostspielig und bergen überdies
die Gefahr, daß das elektrische Netzwerk zu Phasenverschiebungen und daß die unvermeidlichen
Ungleichmäßigkeiten der einzelnen Membranen zu Schwankungen der Frequenzverteilung
innerhalb der den einzelnen Hörnern zugeordneten Raumwinkel führen.
Die
Erfindung beseitigt diese Nachteile und ermöglicht es, eine Reihe von fächerartig
angeordneten Exponentialhörnern ohne Beeinträchtigung ihrer gleichartigen akustischen
Abstimmung durch eine gemeinsame Membran so zu beaufschlagen, daß ihre Abstrahlungsleistungen
verschiedene in einem genau vorbestimmten Verhältnis zueinander stehende Werte besitzen,
so daß sich gleichmäßig verlaufende, d. h. von Einbrüchen freie Richtcharakteristiken
mit nahezu beliebigem, leicht vorauszuberechnendem Verlauf ergeben. Nach der Erfindung
werden die fächerartig angeordneten Exponentialhörner mit gleicher exponentieller
Ouerschnittszunahme und einer der unteren Grenzfrequenz entsprechenden Mindestaustrittsöffnung,
aber mit verschieden großen, einer gemeinsamen Membran zugeordneten Mundöffnungen
ausgerüstet, deren Flächen zueinander im gleichen Verhältnis stehen wie die Quadrate
der den einzelnen Hornachsen zugehörigen Radien der vorgeschriebenen polaren Richtcharakteristik
des Schalldruckes. Wie die Rechnung -neigt, läßt sich auf diesem Wege fast jede
gewünschte Richtcharakteristik erzielen.
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Die Erfindung sei im folgenden an Hand der in -den Zeichnungen dargestellten
Schaubilder und Ausführungsbeispiele ergänzend erläutert.
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Fig. i zeigt den Querschnitt eines Exponentialhornes, dessen Austrittsöffnung
.1 in der Ebene a liegt und der eine Querschnittszunahme i : e aufweist. Man kann
diesen Trichter offenbar nach Belieben in den Ebenen &, c = oder d abschneiden
und erhält dann bei gleicher Austrittsöffnung A: i. Die Mundöffnung 01, der die
Trichterlänge a-b entspricht.
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2. Die Mundöffnung 02, der die Trichterlänge a-c entspricht.
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3. Die Mundöffnung"03, der die Trichterlänge a-d entspricht.
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Alle diese durch verschiedenes Abschneiden des dargestellten Exponentialtrichters
entstehenden Hörner besitzen genau gleiche Frequenzcharakteristik, da die Frequenzcharakteristik
eines Exponetitialhornes bekanntlich nur von der Ouerschnittszunahme und von der
Fläche A der Austrittsöffnung abhängt.
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Koppelt man nun z. B. gemäß Fig. 2 drei derartige Hörner H1, H= und
H3 von gleicher Frequenzkurve, aber verschieden großen Mundöffnungsflächen 01, 02
und 03, so sind die Impedanzen dieser Öffnungen: zi=o-c#01; w2=o#c#02; z3=o#c-03
(in gfs) (r) wobei o=die Dichte der Luft in g;'cml= r,2 X i o-3, c = die Schallgeschwindigkeit
in cm, /'s = 3,4 X 10 4, 01 bis 03 = die NIuiidöffmiiigeii der Hörner in
cm-' bedeuten.
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Setzt man die Summe der Flächen 01-[- 02 + 03 = f, so ergibt
sich eine Summenimpedanz Z_ von: Z = p - c - f (in g/s) (2) ;1us Gleichung
(i) ist ersichtlich, daß sich die Impedanzen der illundöffnungen 01, 02 und 03 verhalten
wie die -#Iundöftnungsfläcben. Bei der Errechnung des Verhältnisses, in dein sich
die abgestrahlte akustische Leistung auf die Mundöffnungen der einzelnen Hörner
verteilt, ist jedoch noch die Geschwindigkeitstransformation zu berücksichtigen,
welche in der durch die Membranfläche 3 abgeschlossenen Luftkammer C1 auftritt.
Die Geschwindigkeit der Teilchen in der Mundöffnung wird dabei bekanntlich um das
Verhältnis der Mernbranfläche zur Mundöffnungsfläche höher als an der Membranfläche.
Diese als Übersetzungsverhältnis ü bezeichnete Größe entspricht in der Elektrotechnik
dem Übersetzungsverhältnis eines Transformators. Demnach gelten für die Cbersetzung
der Impedanzen nach den für die Berechnung von Transformatoren gültigen Gesetzen
die Gleichungen:
wobei Z1 bis Z3 die an der Membran wirksamen Impedanzen der Hornmundöffnungen und
F die Membranfläche bedeuten. Durch Kürzung der Gleichuiljen (3) erhält man
Während Gleichung (i) aussage, daß die Hornimpedanzen an den Mundöffnungen proportional
den 'T\lundöfintuigsfläclien sind, ergibt also Gleichung (:I), daß die an der Membran
wirksamen Hornimpedanzen, die für die von der Membran abgegebene und in
die
Hörner verteilte 'akustische Leistung maßgebend sind, umgekehrt proportional den
Mundöffnungsflächen sind.
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Die Bedeutung dieser Gleichungen erkennt man an Hand des in Fig.3
dargestellten Ersatzschaltbildes für den Lautsprecher nach Fig. 2. Die Wechselstromquelle
E, welche die der Membran F aufgeprägte Schwingung versinnbildlicht, wirkt über
die Selbstinduktion L und den Kondensator C (Masse und Rückstellkraft der Membran)
auf die durch einen Kondensator wiedergegebene SchallkammerCl. Parallel zu diesem
Kondensator Cl liegt ein Transformator T, der die eintretende Transformation der
Impedanzen. nach Gleichung (4) veranschaulicht. Der Transformator T ist mit drei
Abgriffen U1, 14 und U3 versehen, an denen die StrahlungswiderständeZl, Z2 und Z3
liegen. Die erfindungsgemäß gewählten Bedingungen stellen hierbei die Einhaltung
des Verhältnisses UI: U=: U3=Zl:Z@:Z3 sicher, so daß die Stromstärken in allen drei
Widerständen genau die gleichen, die in den Widerständen verzehrten Energien hingegen
proportional den stufenweise ansteigenden Spannungen werden.
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Auf die akustische Wirkungsweise des Lautsprechers angewendet, geht
daraus hervor, daß die von jedem einzelnen Horn abgestrahlte akustische Leistung
proportional seiner Mundöffnungsfläche ist.
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Es wurde bereits bemerkt, daß die Erzielung von einseitig betonten,
aber trotzdem gleichmäßig verlaufenden Richtcharakteristiken besondere Bedeutung
für stereophonische Lautsprecheranordnungen mit symmetrisch -zum scheinbaren
Schallquellpunkt angeordneten Hochtonlautsprechern besitzt. Man erkennt dies aus
Fig. 4. Während man z. B. beider Tonfilmwiedergabe den Tieftonlautsprecher i in
üblicher Weise in der Mittelachse des Saales hinter der Bildwand 2 anbringt, können
die Hochtonlautsprecher 3, 4 an den Seiten der Bildwand 2 aufgestellt werden. Damit
nun die seitlich sitzenden Zuhörer 5 und 6 den Eindruck gewinnen, daß der Schall
scheinbar im Punkte 7 der Bildwand :2 entsteht, müssen von dem Zuhörer 5 die Schallstrahlen
3-5 und 4-5, von dem Zuhörer 6 die Schallstrahlen 3-6 und 4-6 mit genau gleicher
Intensität empfangen werden. Da die Entfernungen 4-5 und 3-6 merklich länger sind
als die-Entfernungen 3-5 und 4-6, müssen also von den Lautsprechern 3, 4 in den
erstgenannten Richtungen höhere Schallintensitäten ausgesandt werden als in den
Richtungen 3-5 und 4-6.
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Dies läßt sich ohne weiteres erreichen, indem man die Hochtonlautsprecher
3, 4 mit fächerartig angeordneten, von einer gemeinsamen Membran beaufschlagten
Exponentialhörnern gleicher Austrittsöffnung und gleicher Ouerschnittszunahrne ausrüstet
und hierbei die der Symmetrieachse 8-7 zugewendeten Hörner mit einer größeren Mundöffnung
versieht, diese Hörner also kürzer wählt, als die von der Symmetrieachse 8-7 abgewendeten
Hörner. Auf diesem Wege kann man für den Lautsprecher 4 beispielsweise die in Fig.
5 dargestellte, etwa ein Spiralsegment bildende und von dem gestrichelt eingezeichneten
Kreis deutlich abweichende Richtcharakteristik erhalten.
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Es ist natürlich auch möglich, die im Beispitel der Fi27.4 zu beiden
Saiten der Bildwand aufgestellten, erfindungsgemäß ausgebildeten Lautsprecher 3,
4 so zu gestalten, daß sie den ganzen Frequenzbereich beherrschen. In diesem Falle
kann der gesonderte Tieftonlautsprecher i wegfallen. Andererseits kann man aber
auch an Stelle des einen Tieftonlautsprechets in der Mitte der Wand beispielsweise
je einen Tieftonlautsprecher in jeder Ecke anbringen.
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Für die Frequenzcharakteristik von Hörnern ist außer einer bestimmten
Ouerschnittszunahme bekanntlich auch eine Mindestgröße der Austrittsöffnung maßgebend.
Eine Vergrößerung dieser Öffnung und somit eine Verlängerung des Hornes über den
Mindestwert hinaus hat, sofern elektrische Hilfsmittel zur Frequenzbeschneidung
nach den tiefen Frequenzen hin vorgesehen werden, im übrigen auf die Frequenzcharakteristik
keinen Einfluß.
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Nimmt man also eine solche elektrische Frequenzbeschneidung nach unten
hin vor, so kann man die einzelnen Hörner über das der akustischen Rechnung zugrunde
gelegte Mindestmaß hinaus in der Richtung zur Austrittsöffnung nach Belieben verlängern
und z. B. erreichen, daß die in diesem Falle verschieden groß ausfallenden Austrittsöffnungen
der Hörner nach Art von Fig. 6 unmittelbar aneinanderstoßen.Man kann die einzelnen
Hörner dann an den Rändern. ihrer Austrittsöffnungen fest miteinander verbinden
und erhält so auf einfachstem Wege ein mechanisches Gebilde von ausreichender Starrheit.
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Die einzelnen Exponentialhörner brauchen nicht unbedingt nach Art
von Fig.2 oder 6 getrennt bis in die Schallkammer Cl geführt zu werden. Vielmehr
empfiehlt es sich sogar in vielen Fällen zur sicheren Unterdrückung von Phasenverschiebungen,
die verschiedenen Hörner Hl bis H3 gemäß Fig. 7 mit der Membrankammer Cl über einen
gemeinsamen Kanal K zu verbinden, an welchen sich die verschiedenen Mundöffnungen
ohne sprung hafte Querschnittsänderung anschließen.
Bei der praktischen
.Eierstellung- der erfindungsgemäßen Lautsprecher ist man natürlic-ii nicht auf
die Ankopplung der dargestellten drei Hörner angewiesen, sondern kann eine beliebige
Zahl von Hörnern an eine gemeinsame Schallkammer Cl anschließen und die Achsen dieser
Hörner in horizontaler und /oder in vertikaler Richtung nach Belieben verteilen,
um je nach Wunsch in der Ebene bzw. im Raum eine vorgegebene Schallfeldverteilung
zu erzielen.