NL8902831A

NL8902831A - Luidsprekersysteem bevattende een helmholtz resonator gekoppeld met een akoestische buis.

Info

Publication number: NL8902831A
Application number: NL8902831A
Authority: NL
Original assignee: Philips Nv
Priority date: 1989-11-16
Filing date: 1989-11-16
Publication date: 1991-06-17
Also published as: EP0429121A1; US5261006A; DE69012060D1; EP0429121B1; DE69012060T2; JPH03173296A; KR0158885B1; KR910011084A

Description

N.V. Philips' Gloeilampenfabrieken te Eindhoven.

Luidsprekersysteem bevattende een Helmholtz resonator gekoppeld met een akoestische buis.

De uitvinding heeft betrekking op een luidsprekersysteem bevattende een behuizing waarin ten minste één akoestische opening is aangebracht, die samenwerkt met een uiteinde van een aan deze opening aangekoppelde akoestische buis, welke behuizing een volume omvat dat door een in de behuizing opgenomen luidsprekerinrichting is onderverdeeld in een eerste en een tweede volumedeel, en het eerste volumedeel akoestisch is gekoppeld met de akoestische opening in de behuizing. Een dergelijke luidsprekersysteem is bekend uit het Duitse Gebrauchsmuster 83.14.251.

Het bekende luidsprekersyteem heeft het nadeel dat het akoestische uitgangssignaal nogal gekleurd is en vervormd kan zijn. De uitvinding beoogt nu een luidsprekerinrichting te verschaffen waarbij de vervormingskomponent in het akoestische uitgangssignaal veel lager kan zijn en er minder kleuring in het akoestische uitgangssignaal optreedt.

De luidsprekerinrichting volgens de uitvinding heeft daartoe het kenmerk, dat de akoestische buis is voorzien van dempingsmiddelen, bevattende een Helmholtz resonator, in de vorm van een afgesloten volume dat via een opening akoestisch is gekoppeld met de akoestische buis. De uitvinding is gebaseerd op het inzicht dat het uitgangssignaal van de luidsprekerinrichting vooral erg vervormd is indien de akoestische buis lang is. De lucht in de akoestische buis gedraagt zich dan niet meer als een akoestische massa. Dit betekent dat de akoestische buis dan niet zozeer dienst doet als basreflex poort, zoals in het bekende luidsprekersysteem, doch dienst doet als akoestisch transmissiekanaal. In de akoestische buis ontstaan dan staande golven (resonanties) die de oorzaak zijn van de vervormingen en leiden tot scherpe pieken en dalen in de overdrachtskarakteristiek van de inrichting. De kleuring ontstaat doordat er naast het gewenste geluid, ruis wordt gegenereerd ten gevolge van de relatief hoge luchtsnelheden in de akoestische buis. Het gevolg daarvan is dat. de ruis wordt versterkt bij frekwenties rond de pieken in de overdrachtskarakteristiek van de buis, hetgeen aanleiding geeft tot kleuring van het akoestische uitgangssignaal. Door het aanbrengen van dempingsmiddelen, in de vorm van een Helmholtz resonator, die is gekoppeld met de akoestische buis, kunnen deze staande golven bij een juiste afstemming van de Helmholtz resonator, worden onderdrukt. De frekwentie-overdrachtskarakterstiek van het luidsprekersysteem is daardoor vlakker, dat wil zeggen minder vervormingen in en ook minder kleuring van het akoestische uitgangssignaal.

Het luidsprekersysteem kan verder zijn gekenmerkt doordatde luidsprekerinrichting tenminste twee in kaskade geschakelde luidsprekers bevat. Door het plaatsen van twee of meer luidsprekers in kaskade kan een groter akoestisch vermogen worden gegenereerd terwijl de behuizing toch relatief klein kan blijven. Gaat het om een monosignaal, dan krijgen de twee of meer luidsprekers alle hetzelfde signaal als elektrisch ingangssignaal toegevoerd. Gaat het om een stereosignaal, dan krijgt de ene luidspreker het linker signaaldeel en de tweede luidspreker het rechter signaaldeel van het stereosignaal als elektrisch ingangssignaal toegevoerd. Voor een Woofersysteem is dit geen bezwaar, aangezien laagfrekwent het stereosignaal geen richtingsinformatie bevat, zodat het linker en rechter signaaldeel op deze wijze akoestisch worden opgeteld.

De luidsprekers kunnen alle in dezelfde richting zijn geplaatst. In dat geval krijgen de luidsprekers het elektrische signaal alle met dezelfde fase toegevoerd. Op zich is het bekend om twee luidsprekers in dezelfde richting in kaskade te schakelen, zie daarvoor de Japanse Kokai 63-260394. De konstruktie van het uit deze publikaite bekende luidsprekersysteem is echter anders dan het luidsprekersysteem volgens de uitvinding.

De luidsprekers kunnen ook spiegelsymmetrisch ten opzichte van elkaar zijn opgesteld. In dat geval krijgen twee spiegelsymmetrisch opgestelde luidsprekers een ten opzichte van elkaar van polariteit verschillend signaal toegevoerd.

Diverse voorkeursuitvoeringen zijn in de andere onderkonklusies beschreven.

De uitvinding zal aan de hand van een aantal uitvoeringsvoorbeelden in de figuurbeschrijving worden uiteengezet. Hierin toont figuur 1 een eerste, figuur 2 een tweede uitvoeringsvoorbeeld van het luidsprekersysteem, figuur 3 de toepassing van het luidsprekersysteem in een televisietoestel, en figuur 4 een drietal konstrukties van de bevestiging van een akoestische buis aan de behuizing van het televisietoestel, figuur 5 een meetopstelling voor het bepalen van de kwaliteitsfaktor van een Helmholtz resonator, figuur 6 een drietal frekwentiekarakteristieken, figuur 7, 8 en 9 drie uitvoeringsvoorbeelden waarbij de akoestische buis dienst doet als standaard, en figuur 10 nog een ander uitvoeringsvoorbeeld.

Figuur 1 toont een eerste uitvoeringsvoorbeeld van het luidsprekersysteem bevattende een behuizing 1 waarin een luidsprekerinrichting 2 van figuur 1 is opgenomen. De luidsprekerinrichting bevat ten minste één luidspreker.De luidsprekerinrichting 2 van figuur 1 bevat twee luidsprekers 3 en 4 die in kaskade zijn geschakeld. De luidsprekerinrichting deelt het volume van de behuizing 1 op in een eerste en een tweede volumedeel V1 en V2 respektievelijk. Het zich tussen de twee luidsprekers bevindende volume is zodanig klein, dat het een hoge mechanische stijfheid bezit. Het eerste volumedeel V1 is via een opening akoestisch gekoppeld met het ene uiteinde van de akoestische buis 5. De buis 5 is voorzien van dempingsmiddelen 6. De dempingsmiddelen zijn bedoeld om staande golven die bij afwezigheid van de dempingsmiddelen zouden ontstaan, uit te dempen. De dempingsmiddelen zijn in de vorm van een Helmholtz resonator 6, bevattende een verder afgesloten volume 7 dat is gevuld met een akoestisch dempend materiaal 8. Via een opening 9 in de wand van de buis 5 werkt deze buis akoestisch samen met de Helmholtz resonator. De afstand x tussen de opening 9 en het uiteinde van de buis ligt bij voorkeur tussen 0.03 en 0.5 m. Het volumedeel V1 is in het algemeen kleiner dan het volumedeel V2. De luidsprekers 3 en 4 zijn in dezelfde richting opgesteld en krijgen dus beide een (mono)signaal met dezelfde fase toegevoerd.

De werking van Helmholtz resonatoren is beschreven in het boek 'Fundamentals of acoustics' van t.E. Kinsler en A.R. Frey, John Wiley (1962), zie in het bijzonder par. 8.9. Bij afwezigheid van de

Helmholtz resonator vertoont de overdrachtskarakteristiek van de akoestische buis een struktuur met resonatiepieken, overeenkomende met de resonaties ten gevolge van staande golven in de buis. De Helmholtz resonator wordt nu zodanig gedimensioneerd dat de resonantiefrekwentie van de Helmholtz resonator, overeenkomende met de dip in de kurve van figuur 8, 9 in het boek van Kinsler en Frey, ten minste ongeveer gelijk is aan, of hoger ligt dan de laagste resonantiepiek in de transmissiekarakteristiek van de akoestische buis 5.

In de ruimte van de Helmholtz resonator is een akoestisch dempend materiaal 8 aangebracht. Hen kan daarbij bijvoorbeeld denken aan katoenvezels (watten), of kunststofvezels die een akoestisch dempende eigenschap bezitten.

Het akoestische dempende materiaal 8 is zodanig gekozen dat voor de kwaliteitsfaktor QH van de Helmholtz resonator geldt 0.25 <. Qji 1 2- Bij voorkeur is QH ten minste bij gelijk aan 1.

QH is als volgt gedefinieerd:

waarbij fH de resonatiefrekwenties van de Helmholtz resonator is, waarvoor geldt

mAH de akoestische massa van de lucht in de poort van de Helmholtz resonator is [kg/m4] CAH de akoestische kompliantie is van de lucht in de resonator zelf [m4.s2/kg], rAH akoestische weerstand in het luchtvolume van de resonator [kg/m4.s].

De kwaliteitsfaktor QH kan gemeten worden op de wijze zoals in figuur 5 aangegeven. Met een snelheidsmeter 50 wordt de luchtsnelheid in de poort 9' van de Helmholtz resonator 6' opgemeten als funktie van de frekwentie, bij aansturing met een bronluidspreker 51. In de logaritmische karakteristiek (201®log) van de luchtsnelheid als funktie van de frekwentie worden vervolgens de -3dB punten bepaald. Deze punten liggen bij de frekwenties f^ en f2- De kwaliteitsfaktor is nu te berekenen met de volgende formule:

Voor de oppervlak van de loodrechte doorsnede van de poort 9 van de Helmholtz resonator 6, en de oppervlakte 02 van de loodrechte doorsnede van de akoestische buis 5 geldt 0,25 <. 0j/02 i 3. Bij voorkeur neemt men beide oppervlaktes ongeveer even groot.

Figuur 6 toont in een drietal frekwentiekarakteristieken de invloed van een Helmholtz resonator op een luidsprekersysteem zoals in figuur 1 weergegeven.

Figuur 6a toont de frekwentiekarakteristiek van het luidsprekersysteem zonder de Helmholtz resonator. De karakteristiek geeft de geluidsdruk (in db) aan als funktie van de frekwentie bij een konstant ingangssignaal (spanning) aan de luidsprekers. De frekwentie is logaritmisch langs de horizontale as uitgezet. Duidelijk zichtbaar in de karakteristiek zijn de pieken ten gevolge van de staande golven in de buis 5.

Het betreft hier een woofersysteem. Duidelijk is dat het systeem slechts bruikbaar is voor frekwenties tot maximaal 150 Hz.

Figuur 6b toont de frekwentiekarakteristiek van het systeem voorzien van een Helmholtz resonator, doch waarbij geen akoestisch dempend materiaal in de ruimte van de Helmholtz resonator is aangebracht. Duidelijk zichtbaar in deze karakteristiek is de resonantiefrekwentie fH van de Helmholtz resonator. Het systeem van figuur 6b is evenmin bruikbaar gezien de sterkte dip bij fg.

Figuur 6c toont het systeem waarbij de kwaliteitsfaktor Qh van de Helmholtz resonator gelijk is aan 1.

De verkregen karakteristiek is redelijk vlak en is tot een frekwentie van 250 Hz goed bruikbaar.

De resterende piek(en) komen pas ver buiten het frekwentiebereik van het luidsprekersysteem tot uiting en kunnen eventueel elektrisch of door middel van een tweede Helmholts resonator, weggefilterd worden.

Figuur 2 toont een uitvoeringsvoorbeeld dat veel lijkt op dat van figuur 1. De twee luidsprekers 3 en 4 zijn hier nu spiegelsymmetrsich ten opzichte van elkaar opgesteld. Zij krijgen een (mono)signaal nu met een ten opzichte van elkaar tegengestelde polariteit toegevoerd. Het luidsprekersysteem van figuur 2 bevat verder een tweede akoestische buis 10, die net een uiteinde is gekoppeld met een tweede opening 11 in de behuizing 1. Via deze opening is de buis 10 akoestisch gekoppeld met het volume V1. De buis 10 bevat eveneens dempingsmiddelen 12. De dempingsmiddelen 12 is in de vorm van een Helmholtz resonator, en bevatten evenals de dempingsmiddelen 6, een verder afgesloten volume 13 dat via een opening 14 in de wand van de buis 10 akoestisch is gekoppeld met de buis 10. In het volume 13 is een akoestisch dempend materiaal 15 aangebracht.

De luidsprekersystemen van figuur 1 en figuur 2 zijn goed toepasbaar in een konsumentenapparaat, zoals bijvoorbeeld een televisietoestel. Dit is in figuur 3 aangegeven. Figuur 3 toont schematisch een televisie-apparaat met een televisiebuis. Op een daarvoor geschikte plaats in de behuizing 31 van het televisietoestel is de behuizing 1 aangebracht. De behuizing 1 is door middel van een bevestigingsband 32 met de behuizing 31 van het televisietoestel gekoppeld. Tussen de behuizing 31 van het televisietoestel en de behuizing 1 van het luidsprekersysteem is een dempende laag 33 van bijvoorbeeld een rubber aangebracht. Deze laag 33 dient om de mechanische trillingen van de behuizing 1 te dempen zodat zij niet worden overgebracht op de behuizing 31 van het televisietoestel.

Indien het luidsprekersysteem is voorzien van één akoestische pijp 5 dan is het andere uiteinde van deze pijp gekoppeld met een opening 35 in de behuizing van het televisietoestel. Bevat het luidsprekersysteem twee akoestische buizen 5 en 10 dan is het andere uiteinde van de buis 10 gekoppeld met een opening 36 in de behuizing 31. De akoestische pijp(en) kan (kunnen) van een flexibele slang zijn vervaardigd. De slangen kunnen eventueel zijn voorzien van verstevigingsringen.

Het televisietoestel kan eventueel nog zijn voorzien van twee midden - hoge torenluidsprekers 37 en 38, voor de weergave van het midden - en/of hoogfrekwente deel van de audioinformatie, en waarin zich de stereoinformatie bevindt.

De koppeling van het andere uiteinde van de akoestische buis 5 aan de behuizing 31 van het televisiestoestel is in figuur 4 weergegeven. Het uiteinde is in figuur 4a via een dempende laag 40 gekoppeld met de behuizing 31 van het televisietoestel. Ook de dempende laag 40, bijvoorbeeld van rubber of schuin, is bedoeld om te voorkomen dat mechanische trillingen van de buis 5 op de behuizing 31 worden overgebracht.

Figuur 4b toont het geval waarbij de buis 5, hier met het referentienummer 5' aangeduid, een naar het uiteinde toe groter wordende doorsnede bezit. Hierdoor wordt een betere akoestische aanpassing naar het akoestisch medium rond het televisietoestel verkregen.

Figuur 4c toont eveneens een buis 5” met een naar het uiteinde toe groter wordende doorsnede. In deze opening is nu een midden en/of hoge tonen luidspreker 45 aangebracht. De luidspreker 45 is daartoe in een potachtige konstruktie 46 aangebracht, die zelf weer via steunbalken 47 aan de uitstroomopening van de buis 5" is bevestigd. In de pot 46 kan een akoestisch dempend materiaal zijn aangebracht.

Het is eventueel mogelijk het volume V1 in de behuizing via een opening in deze behuizing te laten samenwerken met een akoestische buis. Het andere uiteinde van deze buis kan dan eveneens zijn gekoppeld met een opening in, bijvoorbeeld de achterzijde van de behuizing 31 van het televisiestoestel.

In figuur 7, 8 en 9 zijn luidsprekersystemen weergegeven waarbij de akoestische buis als een standaard is uitgevoerd. Het luidsprekersysteem is hier vertikaal opgesteld. De behuizing 51 bevat in alle gevallen één luidspreker die de ruimte in de behuizing verdeelt, in twee volumedelen en V2 waarvoor weer geld V-j < ^2· Fi?uur 7 toont een Helmholtz resonator 58 die koaxiaal ten opzichte van de as van de buis 55 is aangebracht. Het zij hier vermeld dat voor een korrekte werking van de Helmholtz resonator in figuur 7 de scheidingswand 70 en de buis 71 niet essentieel zijn en dus eventueel weggelaten kunnen worden. Het instellen van de Helmholtz resonator frekwentie kan dan gerealiseerd worden door het omhoog of omlaag verschuiven van de pot 58, waarbij het dempingsmateriaal uit de pot 58 is verwijderd, op de buis 55. Daarbij wordt telkens de frekwentiekarakteristiek van het luidsprekersysteem gemeten. Deze frekwentiekarakteristiek toont de dip ten gevolge van de Helmholtz resonatiefrekwentie, zoals is getoond in figuur 6b. De pot 58 wordt net zolang over de buis 55 naar boven of naar beneden geschoven tot dat deze dip op de juiste plaats ligt, en dan dus voldoet aan de eis van konklusie 5. Daarmee ligt de positie van de pot 58 ten opzichte van de buis 55 vast. Daarna kan het dempingsmateriaal in de pot 58 worden aangebracht.

Figuur 8 toont een konstruktie waarbij de Helmholtz resonator (gedeeltelijk) in de geluiduittree-opening van de bus 56 is aangebracht. Deze opening heeft hier weer een hoornvorm. De Helmholtz resonatoren zijn door middel van steunbalken 60 aan de akoestische buis bevestigd.

Figuur 9 toont een luidsprekersysteem met een tweede behuizing 61. Deze behuizing is door middel van een scheidingswand 62 verdeeld in twee deelruimtes 63 en 64. De deelruimte 63 bevat in zijn wand een luidspreker 65. Dit kan bijvoorbeeld een midden- en/of hoge tonen luidspreker zijn.

De akoestische buis 57 mondt uit in de opening 66 die is aangebracht in de behuizing 63. In het volumedeel 64 is weer een akoestisch dempend materiaal aangebracht. Dit volumedeel vormt tesamen met het buisgedeelte 67 weer de Helmholtz resonator.

Het zij vermeld dat de uitvinding niet is beperkt tot enkel de getoonde uitvoeringsvoorbeelden. De uitvinding is evenzeer van toepassing op die uitvoeringsvormen die op niet op de uitvinding betrekking hebbende punten van de getoonde uitvoeringsvoorbeelden verschillen. Zo heeft de uitvinding eveneens betrekking op een konstruktie zoals die bekend is uit het Amerikaanse oktrooischrift 4,549,631. Een dergelijke konstruktie is in figuur 10 weergegeven. De uitvinding betekent dat een Helmholtz resonator is gekoppeld met één of beide basreflexpoorten 80 respektievelijk 81. Figuur 10 toont een Helmholtz resonator 82 respektievelijk 83 aan elk der basreflexpoorten. De uitvinding is bijvoorbeeld ook van toepassing op een konstruktie zoals in figuur 10 is weergegeven waarbij de basreflexpoort 80 en de Helmholtz resonator 82 ontbreken, en waarbij de luidspreker 84 is opgenomen in een wand van de behuizing. In dat geval is het volumedeel zeer klein, ofwel praktisch nul.

Claims

1. Luidsprekersysteem bevattende een behuizing waarin ten minste één akoestische opening is aangebracht, die samenwerkt met een uiteinde van een aan deze opening aangekoppelde akoestische buis, welke behuizing een volume omvat dat door een in de behuizing opgenomen luidsprekerinrichting is onderverdeeld in een eerste en een tweede volumedeel, en het eerste volumedeel akoestisch is gekoppeld met de akoestische opening in de behuizing, met het kenmerk, dat de akoestische buis is voorzien van dempingsmiddelen, bevattende een Helmholtz resonator, in de vorm van een afgesloten volume dat via een opening akoestisch is gekoppeld met de akoestische buis.

2. Luidsprekersysteem volgens konklusie 1, met het kenmerk, dat in het volume van de Helmholtz resonator een akoestisch dempend materiaal is opgenomen.

3. Luidsprekersysteem volgens konklusie 1 of 2, met het kenmerk, dat de opening in het verder afgesloten volume van de Helmholtz resonator akoestisch is gekoppeld met een opening in de zijwand van de akoestische buis.

4. Luidsprekersysteem volgens konklusie 3, met het kenmerk, dat de opening in de zijwand van de akoestische buis op een afstand x van het geluid uittree-einde van de akoestische buis is aangebracht, en dat x een waarde is die ligt tussen 0,03 m en 0,5 m.

5. Luidsprekersysteem volgens één der konklusies 2 tot en met 4, met het kenmerk, dat de Helmholtz frekwentie van de Helmholtz resonator ten minste ongeveer gelijk is aan of hoger is dan de laagste resonatiepiek in de transmissiekarakteristiek van de akoestische buis, die anders zou ontstaan bij afwezigheid van de Helmholtz resonator.

6. Luidsprekersysteem volgens één der konklusies 2 tot en met 5, met het kenmerk, dat een zodanig akoestisch dempend materiaal is gekozen, dat de Helmholtz resonator een kwaliteitsfaktor QH bezit waarvoor geldt 0,25 < QH i 2.

7. Luidsprekersysteem volgens konklusie 6, met het kenmerk, dat Qh ten minste ongeveer gelijk is aan 1.

8. Luidsprekersysteem volgens één der voorgaande konklusies, met het kenmerk, dat de oppervlakte van de opening in de zijwand van de akoestische buis zich verhoudt tot de oppervlakte 02 van een loodrechte doorsnede van de akoestische buis volgens de volgende vergelijking: 0,25 £ £ 3.

9. Luidsprekersysteem volgens konklusie 8, met het kenmerk, dat de oppervlakte 0<j ten minste ongeveer gelijk is aan de oppervlakte °2'

10. Luidsprekersysteem volgens één der voorgaande konklusies, met het kenmerk, dat het eerste volumedeel akoestisch is gekoppeld met een tweede akoestische opening in de behuizing, dat deze tweede akoestische opening samenwerkt met een uiteinde van een aan deze opening aangekoppelde tweede akoestische buis, en dat deze tweede akoestische buis eveneens is voorzien van dempingsmiddelen in de vorm van een Helmholtz resonator.

11. Luidsprekersysteem volgens één der voorgaande konklusies, met het kenmerk, dat de luidsprekerinrichting tenminste twee in kaskade geschakelde luidsprekers bevat.

12. Luidsprekersysteem volgens één der voorgaande konklusies, met het kenmerk, dat het in een behuizing van een konsumentenapparaat is opgenomen, bijvoorbeeld een televisie, en dat de behuizing van het luidsprekersysteem via tweede dempingsmiddelen, voor het realiseren van een trillingsdemping, is gekoppeld met de behuizing van het konsumentenapparaat.

13. Luidsprekersysteem volgens konklusie 12, met het kenmerk, dat het andere uiteinde van de akoestische pijp(en) is (zijn) gekoppeld met een opening (openingen) in de behuizing van het konsumentenapparaat.

14. Luidsprekersysteem volgens konklusie 13, met het kenmerk, dat het andere uiteinde van een akoestische pijp via derde dempingsmiddelen, voor het realiseren van een trillingsdemping, is gekoppeld met de behuizing van het konsumentenapparaat.

15. Luidsprekersysteem volgens één der voorgaande konklusies, met het kenmerk, dat ten minste dat deel van een akoestische pijp dat zich bij het andere uiteinde bevindt een doorsnede bezit die in de richting van genoemd andere uiteinde steeds groter wordt.

16. Luidsprekersysteem volgens één der voorgaande konklusies, met het kenmerk, dat het tweede volumedeel akoestisch is gekoppeld net een akoestische opening in de behuizing van het luidsprekersysteem, dat deze akoestische opening sanenwerkt net een uiteinde van een aan deze opening aangekoppelde akoestische buis, en dat deze buis eveneens is voorzien van dempingsniddelen in de vorn van een Helnholtz resonator.