DE10046059A1 - Flachlautsprecher - Google Patents

Abstract

Der Flachlautsprecher 10 besteht aus einem flexiblen Panel 11 als Schallsender. Die Rückseite des Panels ist durch eine Box 14 akustisch abgetrennt. Systembedingt und dank der vergleichsweise großen Panelfläche ist die Boxentiefe gegenüber dem konventionellen Kolbenlautsprecher extrem klein; daher die Bezeichnung Flachlautsprecher. Durch einen elektrodynamischen Schwingerreger 12 - analog dem beim Kolbenlautsprecher - werden in dem Panel Biegewellen induziert und bilden zusammen mit den Reflexionen am Panelrand ein stehendes Wellenfeld. In Wechselwirkung mit der Umgebungsluft wird Schall abgestrahlt. Diese Einfachheit muß mit einer Reihe von Nachteilen erkauft werden: Die Dichte der Biegewellenmoden ist relativ weitmaschig, was einen schlechten schwingungstechnischen und akustischen Frequenzgang bewirkt. Störend ist der Nachhall. Ein großes Problem sind Richtcharakteristik und Abstrahlwirkungsgrad. Die Maximas und Minimas der Biegewellenmoden interferieren destruktiv und lediglich deren Schwingungsdiffernz liefert Nutzschall. Diese Nachteile werden durch reflexionsfreien Abschluß mittels Impedanzgebern 14 vermieden. Im besonderen werden damit die mit der Biegewellengeschwindigkeit nach außen wandernden Wellenkomponenten ausgeschaltet. Über die Positionierung und den spektralen Frequenzgang der Impedanzgeber 14 lassen sich gleichzeitig evaneszente, d. h. nicht-wandernde Moden fixieren und ebenfalls die a priori feststehenden Nahfelder im Bereich der Schwingerreger ...

Description

Gegenstand der Erfindung ist ein Lautsprecher in Flachbauweise für Sprach- und Musikwie­ dergabe, für akustische Warn- und Hinweissignale und für den Einsatz in der Antischall- Technik.

Die klassische Lösung für das genannte Einsatzgebiet ist der elektrodynamisch betriebene Kolbenlautsprecher. Um aus dem primär als Dipolstrahler wirkenden Kolbenlautsprecher ei­ nen effektiveren Monopolstrahler zu machen, ist eine Kolbenseite durch ein Boxenvolumen abzutrennen; Vermeidung eines akustischen Kurzschlusses. Problem bei dieser Technik, ge­ rade im unteren Frequenzbereich ist das große notwendige Boxenvolumen, bedingt durch die Federsteif gkeit der atmosphärischen Luft. Eine andere Lösungstechnik sind die Flachlaut­ sprecher, die englischen Bezeichnungen lauten flatpanel loudspeaker, panel form loudspeaker, distributed mode loudspeaker, diffuse acoustic radiator. Anstelle eines starren Kolbens wird hier ein flexibles Panel als Schallemitter verwendet. Wird das Panel von einem elektrodyna­ mischen Schwingerreger, vergleichbar dem eines Kolbenlautsprechers, beaufschlagt, so wan­ dern Biegewellen radial nach außen, werden am Panelrand reflektiert und bilden ein stehendes Wellenfeld auf der Panel. In Wechselwirkung mit der Umgebungsluft wirkt das Wellenfeld als Lautsprecher. Wenn beim Flachlautsprecher die abzustrahlende Schallwellenlänge kleiner als die Panelabmessungen sind, so ist hier die Kurzschlusswirkung, die destruktive Interferenz von Vorder- und Rückseite des Panels, geringer. Im allgemeinen wird aber die Rückseite durch ein geschlossenes oder teiloffenes Boxenvolumen abgetrennt. Gegenüber der Panelim­ pedanz ist hier die Steifigkeit der eingeschlossenen Luft weniger kritisch, so daß das Boxen­ volumen und vor allem die Boxentiefe verkleinert werden kann. Aus GB-A- 2262861 ist ein solcher Flachlautsprecher bekannt. Insbesondere sind darin mit der Sandwich-Ausführung Biegeplatten beschrieben, die bei kleinem Flächengewicht eine hohe Biegewellengeschwin­ digkeit haben. Durch die ungedämpfte Halterung besteht eine freie Modenschwingung mit einem geringen Verlustfaktor. In EP 0 847 661 B 1 ist darüber hinaus die Positionierung des Schwingerregers auf der Schwingplatte spezifiziert. Im wesentlichen geht es darum, mit in­ kommensurablen Abstandsverhältnissen eine Modenentartung zu vermeiden. Im weiteren ist dort vorzugsweise die Bedämpfung der Plattenecken und auch eine rückseitige Flachbox mit einer seitlichen Öffnung beschrieben.

Der Flachlautsprecher nach diesem bekannten Stand der Technik unterliegt einem schwierig zu lösendem Konstruktionskonflikt: Ein Panel mit einer Fläche S und der Biegewellenge­ schwindigkeit c_B hat eine Modenzahl N = πSf² _max/c_B ² bis zur oberen Grenzfrequenz f_max, bzw. einen mittleren Frequenzabstand zwischen 2 Moden von Δf = c² _B/πfS. Wie in der klassischen Arbeit von Rayleigh gezeigt, gelten diese Beziehungen unabhängig von der Form der Panel­ fläche S. Um einen ausreichenden Abstrahlwirkungsgrad zu haben, muß die Biegewellenge­ schwindigkeit vergleichbar groß gegenüber der Schallgeschwindigkeit c der Umgebungsluft sein. Dies vergrößert jedoch gerade bei tiefen Frequenzen f den Modenabstand, die Panelim­ pedanz erfährt dadurch ausgeprägte Resonanz/Antiresonanzstellen mit einer Verschlechterung des schwingungstechnischen und des akustischen Frequenzganges. Der einzige Ausweg aus diesem Konflikt ist die Vergrößerung der Panelfläche. - Ein weiterer gravierender Nachteil der bekannten Flachlautsprecher ist deren systembedingter Nachhall. Die nur unvollständig gedämpften Schwingpanele haben eine lange Nachhallzeit. Bei vielen Musikwiedergaben ist dies nicht besonders störend, da diese oft vorher oder nachträglich zusätzlich verhallt werden. Bei Sprachwiedergabe verschlechtert eine übermäßiger Nachhall die Verständlichkeit. Bei dem Antischalleinsatz dagegen, der für die Interferenzauslöschung eine hohe Phasentreue verlangt, versagen solche Systeme, nicht nur wegen der Hallstörung, sondern auch systembe­ dingt infolge der Laufzeitverzögerung bei der Ausbreitung der Biegewelle über das Schwing­ panel. - Ein weiterer Schwachpunkt des Flachlautsprechers ist seine Richtchakteristik. Ist die Zahl der positiven und negativen Modenfelder gleich, so kommt es senkrecht zur Panelober­ fläche zu einer destruktiven Interferenzauslöschung; lediglich die Differenz der positiven und negativen Moden liefert einen Emissionsbeitrag in diese Richtung. Parallel zur Paneloberflä­ che liegt bei der Koinzidenzfrequenz, bei der Biegewellen- und Schallgeschwindigkeit gleich groß sind, eine optimale Schallabstrahlung vor, bei den anderen Frequenzen kommt es zu ei­ ner Verschlechterung, je größer der Abstand zur Koinzidenzfrequenz ist. Eine vergleichbare Situation besteht auch bei den anderen Richtungen so daß sich eine labile, schwer einstellbare Richtcharakteristik ergibt und z. B. ein erwünschter Monopolstrahler nicht eo ipso sondern nur durch Probieren realisiert werden kann. Daß der gesamte Strahlungswirkungsgrad bei einem solchen Flachlautsprecher sehr schlecht ist, sieht man daran, daß die absoluten Modenampli­ tuden praktisch akustische Blindleistung produzieren und nur deren Differenzen nutzbare Wirkleistung.

Aufgabe der Erfindung ist ein Flachlautsprecher der trotz verkleinerter Panelfläche einen schwingungstechnisch und akustisch resonanzfreien Frequenzgang und aufgrund seiner ge­ ringen Abmessungen und Betriebsart einen definierten Quellort, eine definierte, vorzugsweise monopolartige Richtcharakteristik und eine hohe Phasentreue aufweist. Ein weiteres Ziel ist es, die Bautiefe der Flachbox zu verringern bezw. diese zu ersetzen. Im weiteren soll die lo­ kale Abstrahlung des Schwingpanels einstellbar sein.

Diese Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen spezifizierten Erfindungsmerkmale gelöst. Im besonderen sind dies: Durch einen impedanzgleichen und damit reflexionsfreien Abschluß des Schwingpanels werden a priori stehende Wellenfelder vermieden. Im Sinne der Ray­ leigh'schen Theorie entspricht der reflexionsfreie Abschluß formal einer Vergrößerung der Fläche S → ∞ und mit Δf → 0 einem monotonem Verlauf der Eingangsimpedanz des Panels, ohne Resonanz/Antiresonanz-Extremas. Für die Schallabstrahlung werden ausschließlich Nahfelder der Schwingerreger, evaneszente Moden und/oder Anderson-Lokalisierungen ver­ wendet. Durch -resistive oder reaktive wirkende - Perforationen im Schwingpanel kann eine lokale Emission neutralisiert werden, durch Horn- und/oder Resonatoraufsätze auf dem Schwingpanel verstärkt und durch Dämpfungsaufsätze vermindert werden. Die Luft in dem verkleinerten Rückvolumen wird zur Beeinflussung der Steifigkeit und der Dämpfung des Schwingpanels genutzt.

Der Erfindungsgegenstand ist anhand mehrerer Ausführungsbeispiele näher beschrieben. Es zeigen

Fig. 1a bis 1h Flachlautsprecher mit passiven Impedanzgebern am Rand und/oder auf der Oberfläche des Panels.

Fig. 2a bis 2e Flachlautsprecher in Rundausführung mit aktiven Impedanzgebern.

Fig. 3a bis 3f Schwingerreger zur Realisierung von schwingungstechnischen Nahfeldern.

Fig. 4a und 4b Vergrößerung von schwingungstechnischen Nahfeldern.

Fig. 5a und 5b Langestreckter Flachlautsprecher.

Fig. 6a bis 6d Panel mit einstellbaren lokalen Schallemissionen.

Fig. 7a und 7b Panel mit lokal einstellbarer Wellengeschwindigkeit und Impedanz.

Fig. 8a und 8b Panel mit rückseitiger Kopplung.

Fig. 9 Panel mit eingeschnittenen Resonanzzungen.

Fig. 10a bis 10d Ausbildung der rückseitigen Lautsprecherbox.

Fig. 11a und 11b Integration von Luftresonatoren.

Fig. 12 Solarbetriebener Flachlautsprecher.

Zu rationelleren Beschreibung wird folgende Bezeichnung vereinbart: X0 umfaßt den ge­ samten Flachlautsprecher; darin bedeutet X - wie auch in den folgenden Bezugszeichen - die Nummer der betreffenden Figur. Die Schallabstrahlung des Flachlautsprechers X0 erfolgt über ein flexibles Panel X1. In dieses werden durch einen Schwingerreger X2 Biegeschwin­ gungen eingeleitet. Der Einfachheit halber soll "Biegeschwingung" als Sammelbegriff für den allgemeinen Fall einer federunterstützten Membran/Biegeschwingung benützt werden. Zu­ sätzlich zu den konventionellen aus der Lautsprechertechnik bekannten translatorischen Schwingerregern X2 (Monopole) sind hier auch Dreherreger (Dipol) und Quadrupolschwin­ ger mit enthalten. Unter dem Bezugszeichen X2 sind der Einfachheit halber die vor- und nachgeschalteten Zusatzgeräte wie Stromversorgung, Verstärker, Filter, elektrische Netzwer­ ken mit erfaßt. Kabelverbindungen zu externen Geräten sind nicht besonders dargestellt. Am Rand des Panels X1 befinden sich aktive und/oder passive Impedanzgeber X3 für einen refle­ xionsfreien Abschluß zur Ausschaltung von Wanderwellen, bezw. zur Erzeugung und/oder Vergrößerung von nicht-wandernden, evaneszenten Moden. Mit im Panel eingeprägte Inho­ mogenitäten werden ebenfalls ortsfeste Anderson-Lokalisierungen generiert. Schließlich wird die rückseitige Box des Flachlautsprechers mit X4 gekennzeichnet. Die Bezugszeichen X0 bis X4 gelten durchgehend für alle Ausführungsbeispiele, den Zeichen X5 bis X9 sind in den betreffenden Fig. X fallabhängige Merkmale zugeordnet.

In Fig. 1a ist eine Draufsicht und in Fig. 1b der Querschnitt bei AA durch einen Flachlaut­ sprechers 10 dargestellt. Der Schallemitter ist ein Panel 11 das durch einen Schwingerreger 12 zu vom Erregerpunkt weglaufenden Biegewellen angeregt wird. Zur Vermeidung eines aku­ stischen Kurzschlusses ist die Rückseite des Panels 11 durch eine Box 14 ganz oder teilweise abgeschlossen. Insoweit liegt der konventionelle, z. B. aus GB-A-2262861 bzw. EP 0 847 661 B1 bekannte Betrieb eines Flachlautsprechers vor. Gegenüber diesem Stand der Technik sind am Rand des Panels 11 Impedanzgeber 13 vorgesehen, die einen reflexionsfreien Abschluß bewirken. Dies wird durch Impedanzgleichheit von Panelrand und Impedanzgeber 13 erreicht. Auslegung und Anbringung von Impedanzgebern 13 sind z. B. aus DE 197 30 496 A1 be­ kannt. Der Impedanzgeber 13 soll hier sowohl Punkt- als auch Momentimpedanz umfassen. Real- und Imaginärteil der Impedanz sind die Resistanz und die Reaktanz. Beide sind im all­ gemeinen Fall frequenzabhängig. Ein spezieller Impedanzgeber 13 ist in Fig. 1c ein an den Rand des Panels 11 kraft- und momentschlüssig angekoppelter, reflexionftei abgeschlossener Biegewellenleiter 15. Man kann den Impedanzgeber 13 wesentlich verkleinern, wenn wie in Fig. 1d zwei Panele 11 und 11' durch einen Dämpfungsstoff 16 verbunden sind. Nach der be­ kannten Theorie der eingezwängten Beläge können damit große und vor allem auch spektral abhängige Laufwegdämpfungen eingestellt werden. Eine Variante dazu ist Fig. 1e mit einem auf das Panel 11 aufgeklebtem Antidröhnbelag 17. Ebenfalls der Verkleinerung des Impe­ danzgebers 13 in Fig. 1f dient die Herabsetzung der Panelimpedanz durch eine Verjüngung der Dicke des Panels 11. In den Fig. 11g und 11h sind anstelle oder zusätzlich zu dem rand­ seitigen Impedanzgeber 13 frequenzselektive Impedanzgeber 18 und 19 ringförmig mit unter­ schiedlichen Radien um den Befestigungsort des Schwingerregers 12 an dem Panel 11 ange­ bracht. Die innen liegenden Impedanzgeber 18 und 19 wirken bei hohen und die außenliegen­ den bei tieferen Frequenzen. Damit kann die wirksame spektrale Reichweite r der vom Schwingerreger 12 ausgehenden Biegewelle eingestellt werden, z. B. mit einer Reichweite r als Funktion zur Luft- bzw. Biegewellenlänge X. Bei einer Begrenzung unter eine halbe Bie­ gewellenlänge wird die fortlaufende Welle direkt an der Quelle unterbunden und es ist nur die feststehende evaneszente Mode als akustischer Strahler wirksam. Der Impedanzgeber 18 sei analog zu 13 aufgebaut hat den Aufbau eines Schwingungsabsorbers, dieser wirkt primär resi­ stiv und kann durch seine Cutoff-Frequenz spektral eingestellt werden. Alternative Impedanz­ geber 19 sind die sog. Resonanztilger, mit diesen kann bei der eingestellten Resonanzfrequenz eine hohe spektrale Reaktanz eingestellt werden. Die resistiven Impedanzgeber 18 sorgen für eine Wellendämpfung, im allgemeinen Fall wirken beide Impedanzgeber 18 und 19 als Wel­ lenspiegel mit denen sich evaneszente Moden und die ortsfesten Nahfelder (diese Technik ist in Fig. 3 besonders dargestellt) lokal fixieren und vergrößern lassen.

Fig. 2a und 2b zeigen Draufsicht und Schnitt durch einen Flachlautsprecher 20 der gegenüber der Fig. 1 anstelle von passiven Impedanzgebern 13 hier einen, im Sinne der Antischalltech­ nik aktiven Impedanzgeber 23 aufweist. Ein aktiver Impedanzgeber 23 besteht hier z. B. aus einem elektrodynamischen Schwingerreger und einem Netzwerk 29. Ein solches Netzwerk 29 ist durch seinen spektralen Amplituden- und Phasengang bestimmt und kann in bekannter Weise durch einen mechanischen Wellenleiter, analog durch passive und/oder aktive elektri­ sche Elemente oder digital realisiert werden. Ein Schwingungssensor zur Detektion und Steuerung des Impedanzgebers 23 ist hier nicht notwendig, da das Signal des Schwingerregers 22 und damit auch der Schwingungszustand bei 23 bekannt ist. Das schallemittierende Panel 21 ist hier eine Kreisscheibe mit einem mittigen Schwingerreger 22. Über den Rand ist es bei einer Rundausführung leicht möglich, auch Zug- und Druckspannungen in das Panel 21 ein­ zubringen. Damit kann zusätzlich eine Membrangeschwindigkeit aktiviert werden, mit der die resultierende Wellengeschwindigkeit vergrößert und verkleinert werden kann. Bei Impedanz­ anpassung von Panel 21 und Impedanzgeber 23 können die konzentrisch nach außen laufen­ den Biegewellen voll absorbiert werden. Zur Vermeidung eines akustischen Kurzschlusses dient analog zu Fig. 1 eine rückwärtige Box 24. Vorteilhafter als die über den Umfang des Panels 21 angebrachten Impedanzgebern 23 nach Fig. 2a/b wird in Fig. 2c ein mittiger Impe­ danzgeber 25 an einem ebenfalls kreisscheibenförmigen Wellenleiter 26 angebracht. Panel 21 und Wellenleiter 26 sind am Rand 23 starr gekoppelt. Wird die vom Impedanzgeber 25 am Rand 23 aktiv erzeugte Impedanz durch ein Netzwerk 29 an die des Panels 21 angepaßt, so läßt sich wieder ein absorbierender, reflexionsfreier Abschluß realisieren. In einer weiteren apparativen Vereinfachung nach Fig. 2d wirkt der Schwingerreger 22 nicht nur auf das Panel 21 sondern gleichzeitig als aktiver Impedanzgeber auf einen Wellenleiter 27. Während der Wellenleiter 26 einen an sich beliebigen, radialen Impedanzverlauf haben konnte, so ist dieser hier über den radialen Masse/Steifigkeitsverlauf so einzustellen, daß sich die gewünschte, aktive Impedanz am Rand 23 des Wellenleiters 27 ergibt. Fig. 2e stellt das zu dem passiven System nach Fig. 1g/h das aktive Analogon dar. Dazu sind ringfömig auf unterschiedlichen Radien Impedanzgeber 28, 28' . . . eingesetzt. Zweckmäßigerweise spiegeln die inneren Impe­ danzgeber die Panelwellen mit hoher und die äußeren die mit tiefer Frequenz. Die Ringanord­ nung in Fig. 2e war der einfacheren Erklärung wegen gewählt, zweckmäßiger natürlich sind die mittigen Impedanzgeber 25 nach den Fig. 2c bzw. 2d. Dazu ist nachzutragen: Die Wel­ lenleiter 26 bzw. 27 sind perforiert auszuführen, wenn deren akustische Abstrahlung neutrali­ siert werden soll. (Vergl. Fig. 6a) Für die Abstimmung der aktiven Impedanzgeber an das aktuelle Signal des Schwingerregers 22 dient nach der Lehre der Antischalltechnik ein Netz­ werk 29, macht man die Laufzeit über die Wellenleiter 26 und 27 schneller als die über das Panel 21, so gibt es keine Kausalitätsprobleme und das Netzwerk 29 kann auch mit passiven elektrischen Bauelementen realisiert werden.

Während es in den Fig. 1 und 2 primär darum ging wandernde Biegewellen auszuschalten und die sog. Nahfelder der konventionellen Schwingerreger 12 und 22 und die evaneszenten Mo­ den als Schallemitter zu nutzen, werden dazu in den Fig. 3 bis 6 die Nahfelder von Schwin­ gerregern höherer Ordnung, evaneszente Moden und Anderson-Lokalisierungen benützt. Die Richtcharkteristik eines Senders n. Ordnung beschreibt das entsprechende Legendre-Polynom derselben Ordnung n. Die Entfernungsabhängigkeit kennt mit den Bessel- und Neumann- Funktionen feststehende, konphas schwingende Nahfelder und die durch die Hankel- Lösungsfunktionen gegebenen Wanderwellen. Erfindungsgemäß werden hier Nahfelder als Schallemitter optimiert. Da solche Nahfelder im allgemeinen aus positiv und negativ schwin­ genden Teilfeldern bestehen, geht es darum solche Sender zu wählen bei denen natürlich ein Anteil überwiegt und/oder den destruktiven Anteil zu minimieren. Günstig sind hierbei die in Fig. 1 und 2 verwendeten Monopol-Sender mit n = 0. Bei einem mittig eingebauten Dipolsen­ der (n = 1) sind die positiven und negative Modenanteil genau entgegengesetzt gleich und haben so keinen natürlich Überschußanteil. Bei Anbringung am Rand des Panels wie z. B. in Fig. 5a/b und mit den in Fig. 7 aufgeführten Mitteln läßt sich die lokale Schallemission beein­ flussen und so trotzdem eine Schallabstrahlung erreichen. Der nächste Typus ist der Quadru­ pol-Sender mit n = 3: Fig. 3a und 3b zeigt in Draufsicht und im Schnitt einen Flachlautspre­ cher 30 mit einem Panel 31 und einer rückseitigen Box 34. Als Schwingerreger 32 ist ein lon­ gitudinaler Quadrupol, realisiert durch einen mittigen Schwingerreger 32' und 2 dazu antipha­ sen, kollinear angeordneten Schwingerregern 32" und 32''' gewählt. Ist die Summenkraft der Schwingerreger 32" und 32''' gleich der des Schwingerregers 32' so liegt reine Quadrupol­ strahlung vor. Damit lassen sich langgestreckte Flachlautsprecher 30 realisieren. Bei gleicher Fläche des Panels 31 erreicht man damit tiefere Abstrahlfrequenzen. Im allgemeinen Fall kann der Schwingerreger 32 gleichzeitig einen Monopol und auch einen Dipol abstrahlen. Der longitudinale Quadrupolsender hat in Achsrichtung ausgeprägte konphas schwingende Hauptkeulen, demgegenüber sind die dazu antiphas schwingenden Nebenkeulen sehr viel klei­ ner, sodaß sich ein hoher akustisch wirksamer Schwingungshub ergibt. Mit einer Ausdehnung der Nahfelder kleiner als eine halbe Biegewellenlänge liegt eine monopolartige Richtcharak­ teristik vor. Bei dieser Abstrahlung spielt die Koinzidenzbedingung keine Rolle, verkleinert man die Biegewellen- gegenüber der Schallgeschwindigkeit, so verbessert sich die Mono­ polcharakteristik weiter. Bei Fig. 1c handelt es wieder um einem longitudinalen Quadrupol- Sender. Der Schwingerreger 32 wirkt auf einen Balken 35 der an seinen beiden Enden mit dem Panel 31 verbunden ist und in dieses gegensinnige Schwingmomente einleitet. Ein sol­ ches Momentenpaar ergibt ein Quadrupolfeld, das weitere ist analog zu Fig. 1a/1b. Der Vorteil dieser Senderanordnung ist, mit einem Schwingerreger 32 auszukommen und daß der Balken 35 gleichzeitig als Adapter zur Impedanzanpassung von Panel 31 und Schwingerreger 32 dient. Der Quadrupolstrahler nach Fig. 3d benützt ein lineares Piezoelement als Schwingerre­ ger 32, gleichzeitig ist wieder zur Impedanzanpassung und zur Fixierung einer evaneszenten Mode in dem Panel 31 ein Schlitz 37, bzw. eine Schwächung der Biegesteifigkeit quer zum Piezoelement vorgesehen. In Fig. 3e befindet sich an dem Panel 31 eine eindimensionale Ne­ gativfeder 38, bekannt z. B. aus DE 198 02 359. Diese verringert die Eingangsimpedanz des Panels 31, so daß damit wieder eine Anpassung an den Schwingerreger 32 möglich ist und eine evaneszente Mode fixiert wird. Schließlich stellt auch die Ausführung nach Fig. 3f eben­ falls eine Überlagerung eines Monopol- mit einem longitudinalen Quadrupolsender dar und besteht aus Panel 31, Schwingerreger 32 und dazu kollinear und symmetrisch angebrachten Elementen 39 und 39'. Letztere wirken aufgrund ihrer Masse und ihres Trägheitmomentes als Punkt- und Momentenimpedanz und ergeben zwei Sekundärsender für Biegewellen.

In Fig. 4 sind zwei Beispiele von Anderson-Lokalisierungen dargestellt. In Fig. 4a befindet sich im Bereich des Schwingerregers 42 eine Wölbung 45 in dem Panel 41. Dadurch kommt es zu einer Versteifung, gerade bei dünnwandigem Panel 41 bringt bereits eine geringe Wöl­ bungshöhe einen großen Effekt. Nicht nur der Vollständigkeit wegen ist in Fig. 4b das Ge­ genteil einer lokalen Schwächung ergänzt. Hier besteht das Panel 41 aus 2 Schichten 46 und 46'. Diese haben wie in Fig. 4c gezeigt, vor dem Zusammenkleben entgegengesetzte Wöl­ bungen. Eine solche Konstellation hat Tellerfeder-Charakteristik mit herabgesetzter Federung, induziert eine Anderson-Lokalisation und dient mit zur Anpassung des Schwingerregers 42 an das Panel 41. (Vergleiche dazu DE 198 02 359 mit den anderen Techniken lokal die Feder­ steifigkeit herabzusetzen.) Mit beiden Mitteln ist es auch möglich, die Reichweite der Nahfel­ der einzustellen, sie z. B. über- oder unterproportional zur Biege- bzw. der Schallwellenlänge anwachsen zu lassen.

Fig. 5a und 5b zeigt in Draufsicht und Schnitt einen Flachlautsprecher 50 mit einem langge­ streckten Panel 51 und zwei randseitig angebrachten Drehschwingerreger 52 und 52'. Beide haben konphases aber gegensinniges Erregermoment und induzieren gegeneinander laufende Biegewellen. Ohne zusätzliche Maßnahme ergäbe sich mit der Randreflexion am anderen Ende ein stehendes Biegewellenfeld. Benützt man die Drehschwingerreger 52 und 52' ent­ sprechend den Auslegung nach Fig. 2 gleichzeitig als aktiven Impedanzgeber mit einem Netzwerk 59 so kann wieder der Wanderwellenanteil absorbiert werden. Die Konstruktion nach Fig. 5a/b läßt sich auch für Stereobetrieb einsetzen. Dazu werden die Schwingerreger 52 und 52' mit den unterschiedlichen Stereosignalen betrieben. Davon unbeeinflußt ist die Trans­ ferfunktion für die Wellenausbreitung in den beiden Richtungen, sodaß das Netzwerk 59 gleich bleibt. Zusätzlich können über das Panel 51 wie in Fig. 1 g/h und Fig. 2e gezeigt zu­ sätzlich passive oder aktive Impedanzgeber verteilt sein.

In Fig. 6a bis 6d finden sich Ausführungsbeispiele um die lokale Schallemission eines Panels 61 zu beeinflussen. In Fig. 6a bewirken Perforationen 65 im Panel 61 einen akustischen Kurz­ schluß. Dies ist dann zweckmäßig wenn positive und negative Moden, bzw. Nahfelder vor­ handen sind, die sich sonst weginterferieren würden. (Vergl. Fig. 3a/b mit positiven Haupt- und negativen Nebenkeulen). In Fig. 6b befinden sich auf der schallemittierenden Seite des Panels 61 Silatorelemente 66, z. B. bekannt aus DE 26 32 290. Es handelt sich hier um Resonato­ ren die eine Schwingverstärkung bei Resonanz bringen. Ein hornförmiger Aufsatz 67 bewirkt eine breitbandige Vergrößerung der Schwingungsausschläge an der Oberfläche 68. Eine sol­ che Hornverstärkung läßt sich mit einer ungedämpften, elastischen Schaumauflage mit zur Oberfläche 68 abnehmenden Dichte realisieren. Schließlich sorgt in Fig. 6d ein Dämmungs­ auflage 69 dafür, daß eine Panelschwingung nicht an die schallabstrahlende Oberfläche 68 weitergegeben wird. U. a. kann dieses Ziel mit der Lösung nach Fig. 8b erreicht werden.

Während in Fig. 4a und 4b eine Vergrößerung und Verkleinerung der lokalen Steifigkeit des Panels 41 im Zusammenhang mit dem Schwingerreger 42 dargestellt wurde wird in Fig. 7a und 7b die analoge Konstruktionsmöglichkeit mit einer Wölbungsversteifung 75 und einer Schwächung 76 auf der freien Panelfläche 71 festgehalten. Damit λassen sich evaneszente Moden erzeugen.

Die Beispiele Fig. 8a bis 8c behandeln lufifederunterstützte Panel 81. Ein schmaler Luftspalt 85 zwischen Panel 81 und Rückseite 86 ist in Fig. 8a durch elastische Trennstege 88 segmentiert und wirkt so als Feder. Mit dieser Technik läßt sich eine spektral ab der Eigenfre­ quenz f₀ fallenden Wellengeschwindigkeit c = c_B(1 - (f₀/f)²)^-1/4 einstellen. In Fig. 8b befinden sich resistiv wirkende Perforationen 87 in der Rückseite 86. Damit kann neben der spektralen Wellengeschwindigkeit auch die spektrale Dämpfung angepaßt werden. Im Beispiel Fig. 8c sind die Luftspalte 85 und 85' nicht gleichmäßig hoch, damit lassen sich Impedanzsprünge zur Fixierung von evaneszenten Moden zu erzeugen. In Fig. 8d schließlich wird der Luftraum in einem Honeycomb-Panel 81 durch Perforationen 89 an das Volumen der Box 84 ange­ schlossen. Mit einer solchen Maßnahme kann Bautiefe eingespart werden.

In der Draufsicht von Fig. 9 auf ein Panel 91 sind Zungen 95, 95' . . . als Balkenschwinger ein­ geschnitten. Deren Resonanzfrequenz kann durch Zungenlänge, das Flächenträgheitsmoment und durch Zusatzgewichte in einem weiten Bereich eingestellt werden, ebenso deren Dämp­ fung, z. B. durch den Spaltabstand. Diese wirken vergleichbar den Resonatoren nach Fig. 1h als passive Impedanzgeber und nach den Fig. 6a und 6b gleichzeitig zur Beeinflussung der lokalen Schallabstrahlung.

In den Fig. 10a bis 10d sind verschiedene Ausgestaltungen der rückseitigen Box 104 in Draufsicht bei teilweise abgenommenem Panel 101 dargestellt. Konventionell ist die Box 104 durch einen Randsteg 103 abgeschlossen, besitzt aber Öffnungen 105 um den Einfluß der Luftfederung zu minimieren. In Fig. 10a befinden sich im Bereich der Öffnungen 105 sog. λ/4-Keile zur Schallabsorption. Durch eine solche Maßnahme vernngert sich die Interferenz des von Vorder- und Rückseite des Panels 101 abgestrahlten Schalls. In Fig. 10b sind mäan­ derförmige Stege 107 und in Fig. 10c spiralförmige Stege 108 eingebracht, um den Schallweg zu verlängern. Damit läßt sich der Arbeitsbereich nach tieferen Frequenzen hin erweitern. Beide münden wieder in den Öffnungen 105. In Fig. 10d schließlich wird die Box 103 durch ein Halterungsrohr 109 gehalten und durch das Rohrinnere eine Öffnung 105 geschaffen.

In Fig. 11 sind im Rahmen 113 und/oder in der Box 114 verschieden abgestimmte Luftschall­ resonatoren untergebracht. In Fig. 11a sind dies Helmholtz-Resonatoren 115, 115' . . . und in Fig. 11b sind dies λ/4-Resonatoren 116, 116' . . . Deren Öffnungen 117, 117' können sowohl in den Außenraum als auch in die Box (114) wirken. Damit besteht eine Möglichkeit Frequenz­ gang oder Richtchakteristik des Flachlautsprechers 110 zu beeinflussen. In Fig. 12 ist das Pa­ nel 121 des Flachlautsprechers 120 ist mit Solarzellen belegt, um daraus die zum Betrieb not­ wendige Energie zu beziehen. Um vollständig ohne Kabelverbindungen auszukommen, wird auch das wiederzugebende Signal mittels Licht übertragen.

Claims (12)

1. Flachlautsprecher 10 bestehend aus Panel 11 und Schwingerreger 12, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zur Ausschaltung der Wanderwellenkomponente

• a) am Rand des Panels 11 Impedanzgeber 13 kraft- und momentschlüssig angekoppelt sind
• b) die Impedanzgeber 13 Schwingungsabsorber und/oder Resonanztilger sind und/oder
• c) am Rand des Panels 11 in Gegenrichtung laufende reflexionsfrei abgeschlossene Biege­ wellenleiter 15 angebracht sind und/oder
• d) das Panel 11 zweischichtig aufgebaut ist und nach Art von eingezwängten Belägen eine mittige Dämpfungsschicht 16 enthält und/oder
• e) das Panel 11 mit einem Antidröhnbelag 17 belegt ist und/oder
• f) das Panel 11 eine randseitige Verjüngung der Dicke aufweist und/oder
• g) über die Fläche des Panels 11 konzentrisch zum Schwingerreger 12 Impedanzgeber in Form von Schwingungsabsorber 18 und/oder Resonanztilger 19 vorzugsweise so positio­ niert sind, daß die bei hoher Frequenz wirkenden Impedanzgeber näher am Schwingungs­ erreger 12 sitzen als die tieferfrequent wirkenden.

2. Flachlautsprecher 20 bestehend aus Panel 21 und Schwingerreger 22, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zur Ausschaltung von Wanderwellen

• a) Das Panel 20 als Kreisscheibe ausgeführt und durch die Randeinspannung Zug- oder Druckspannungen ausgesetzt ist und
• b) am Rand des Panels 21 aktive Impedanzgeber 23 sind, die über ein vom Signal des Schwingerregers 22 elektrisches Netzwerk 29 gesteuert sind und/oder
• c) am Rand des Panels 21 über eine Befestigung 23 ein Wellenleiter 26 mit einem wieder durch ein Netzwerk 29 gesteuertem mittigen Impedanzgeber 25 angekoppelt ist und/oder
• d) der Schwingerreger 21 gleichzeitig sein Kraftsignal auf einen Wellenleiter 27 ausübt und dessen Übertragungsverhalten als passives Netzwerkz 21 wirkt und über die Befestigung 23 eine Impedanzfunktion auf den Rand des Panels 21 ausübt und/oder
• e) über die Oberfläche des Panels 21 aktive Impedanzgeber so positioniert sind, daß die bei hoher Frequenz wirkenden Impedanzgeber näher am Schwingungserreger 22 sitzen als die tieferfrequent wirkenden.

3. Flachlautsprecher 30, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung von Biegewellensen­ dern höherer Ordnung und damit Einsparung an Breite des Panels 31

• a) ein Schwingerreger 32 aus 3 Einzelschwingerregern 32', 32" und 32'''besteht, die mit unterschiedlicher Amplitude gleich- und gegenphasig betrieben Mono- Di und/oder Qua­ drupol-Biegewellenfelder generieren oder
• b) ein Schwingerreger 32 über ein Biegeelement 35 das über eine Befestigung 33 mit dem Panel 31 verbunden ist gleichzeitig Mono- und Quadrupol-Biegewellenfelder generiert und/oder
• c) im Bereich des Schwingerregers 32 eine Schwächung 37 des Panels 30 besteht und/oder
• d) der Schwingerreger 32 über eine Negativfeder 38 an das Panel 30 angekoppelt ist und/oder
• e) im Nahfeld des Schwingerregers 32 Elemente 39 an des Panel 31 angekoppelt sind die aufgrund ihrer Masse und ihrer Trägheitsmomentes als Sekundärsender wirken.

4. Flachlautsprecher 40, dadurch gekennzeichnet, daß zur Einstellung von evaneszenten Mo­ den und des Biegewellennahfeldes des Schwingerregers 42 in dem Panel 41 eine Wölbung 45 eingeprägt ist und/oder durch Ringspannungen eine Steifigkeitsreduktion hat.

5. Flachlautsprecher 50, dadurch gekennzeichnet, daß ein eindimensionales Panel 51 von zwei randseitigen Schwingerregern 52 und 52' synchron angetrieben wird und daß diese über ein Netzwerk 59 gesteuert gleichzeitig als Impedanzgeber wirken oder daß die Schwingerreger 52 und 52' mit Stereosignalen betrieben werden.

6. Flachlautsprecher 60 dadurch gekennzeichnet, daß zur Beeinflussung der lokalen Schall­ abstrahlung das Panel 61

• a) mit Perforationen 65 versehen ist und/oder
• b) mit Silatoren 66 belegt ist und/oder
• c) eine Belegung 67 mit Schwingverstärkern und/oder
• d) eine Belegung 68 mit Reduktion der Oberflächenschwingung 69 aufweist.

7. Flachlautsprecher 70, dadurch gekennzeichnet, zur Erzeugung und Fixierung von evanes­ zenten Moden das Panel 71 mit Wölbungen 75 oder Negativfedern 76 versehen ist.

8. Flachlautsprecher 80, dadurch gekennzeichnet, daß das Panel 81

• a) durch einen Luftspalt 85 an ein rückseitiges Panel 86 angekoppelt ist oder
• b) durch einen Luftspalt 85 an ein oder mehrere hintereinander geschichtete, perforierte Pa­ nel 87, 87' . . . resistiv angekoppelt ist oder
• c) durch Luftspalte 85, 85' mit unterschiedlicher Spalttiefe an ein Panel 86 angekoppelt ist oder
• d) in Honeycomb-Bauweise Perforationen 89 aufweist um das darin eingeschlossene Luft­ volumen zur Verkleinerung der Box 84 zu nutzen.

9. Flachlautsprecher 90, dadurch gekennzeichnet, daß im Panel 91 Balkenschwinger 95 einge­ schnitten sind, deren Resonanzfrequenz durch Zungenlänge, Steifigkeit und Masse und deren Verlustfaktor durch Spaltbreite und Zusatzdämpfer eingestellt ist.

10. Flachlautsprecher 100, dadurch gekennzeichnet, daß

• a) die Öffnungen 105 der Lautsprecherbox 104 mit λ/4-Schallabsorberkeilen 106 versehen sind und/oder
• b) die Box 104 mäanderförmigen Kanälen 107 oder
• c) die Box 104 spiralförmige Kanäle 108 aufweist oder
• d) über die Halterung 109 der Box 104 ein Öffnungskanal 105 realisiert wird.

11. Flachlautsprecher 110 dadurch gekennzeichnet, daß zur Beeinflussung der Richtchakteri­ stik der Schallabstrahlung am Rand des Panels 111

• a) Helmholtz-Resonatoren 115, 115' einstellbarer Frequenz und/oder
• b) λ/4-Resonatoren einstellbarer Frequenz angebracht sind
• c) und deren Öffnungen 117 und 117' in den Außenraum und/oder die Box 114 münden.

12. Flachlautsrecher 120 dadurch gekennzeichnet, daß für einen kabellosen Betrieb das Panel 120 mit Solarzellen 125 belegt ist und daß die Signalübertragung durch Lichtstrahl erfolgt.