DE102006058009B3

DE102006058009B3 - Lautsprechersystem mit reduzierter rückseitiger Schallabstrahlung

Info

Publication number: DE102006058009B3
Application number: DE200610058009
Authority: DE
Inventors: Matthias Christner
Original assignee: D&B Audiotechnik AG
Current assignee: D&B Audiotechnik GmbH and Co KG
Priority date: 2006-12-08
Filing date: 2006-12-08
Publication date: 2008-02-14
Anticipated expiration: 2026-12-09
Also published as: US8842866B2; CN101198197A; FR2911241B1; CN101198197B; US20080137894A1; FR2911241A1

Abstract

Ein Lautsprechersystem weist ein frontseitiges Lautsprechergehäuse (30) mit mindestens einem ersten Lautsprecher (20) und ein rückseitiges Lautsprechergehäuse (50) mit mindestens einem zweiten Lautsprecher (60) auf. Das rückseitige Lautsprechergehäuse (50) ist als Bandpass-Gehäuse ausgebildet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Lautsprechersystem mit Rückwärts-Schallunterdrückung und insbesondere ein derartiges Tiefton-Lautsprechersystem.
Tiefton-Lautsprechersysteme weisen typischerweise nur eine sehr geringe Direktivität (Richtwirkung) auf. Dies folgt daraus, dass eine Schallquelle für eine brauchbare Richtwirkung Dimensionen aufweisen muss, die mindestens der abzustrahlenden Wellenlänge entsprechen. Das Audio-Frequenzband reicht etwa von 20 Hz bis 20 kHz, was Wellenlängen von 17 m bis 1,7 × 10^–2 m entspricht. Der typische Arbeitsbereich tieffrequenter Lautsprechersysteme (auch als Subwoofer-Systeme bezeichnet) ist etwa 35 Hz bis 120 Hz. Dies entspricht einer Wellenlänge von 10 m bis 3 m. Folglich wird eine wirksame Direktivität sowohl in der horizontalen als auch in der vertikalen Ebene nur durch sehr breite und hohe Tiefton-Lautsprecheranordnungen erreicht, die üblicherweise in Form eines Arrays aus einer Mehrzahl von Tiefton-Lautsprechersystemen aufgebaut sind.
Eine erhöhte Direktivität von Lautsprechersystemen bietet verschiedene Vorteile. Generell ermöglicht eine erhöhte Direktivität eine reduzierte Schallemission in unerwünschte Richtungen. Dies ist insbesondere bei Freiluftveranstaltungen, z.B. Openair-Konzerten, im Hinblick auf den Lärmschutz von zunehmender Bedeutung.
Ein weiterer Vorteil, der ebenfalls bei Beschallungssystemen für Großraum- oder Freiluftveranstaltungen von besonderer Relevanz ist, besteht darin, dass der Pegel hinter dem Lautsprechersystem durch eine verbesserte Direktivität deutlich verringert wird. Dadurch wird dessen störender Einfluss im rückwärtigen Bereich auf der Bühne deutlich geringer. Infolgedessen wird eine höhere maximale Verstärkung vor dem Einsetzen einer Rückkopplung („gain before feedback") erreichbar.
Darüber hinaus wird durch eine erhöhte Direktivität in geschlossenen Räumen der Diffusschall im Tiefton-Bereich verringert und die akustischen Raummoden werden deutlich weniger angeregt. Durch das verbesserte Verhältnis von Diffus- zu Direktschall im Abstrahlbereich der Systeme wird die Tiefton-Wiedergabe wesentlich präziser.
Es sind bereits mehrere Ansätze bekannt, mit denen sich die Direktivität von Schallquellen erhöhen lässt. Eine erste Möglichkeit besteht darin, bipolare Lautsprecher einzusetzen. Bipolare Lautsprecher arbeiten mit offenen Rückkammern oder effektiv offenen Rückkammern (wie U- oder H-förmige Gehäuse) und geben die akustische Energie nach vorne und hinten gegenphasig ab. Aufgrund ihres systembedingten starken Pegelabfalls hin zu tiefen Frequenzen haben sie keine nennenswerte Bedeutung für die Beschallungstechnik (GroSraum- oder Freiflächenbeschallung) und kommen vornehmlich in Home-HiFi-Anwendungen zum Einsatz. Ein mit gegenphasig angesteuerten Schallquellen arbeitendes Lautsprechersystem ist aus der Schrift DE-PS 975 222 bekannt.
Eine zweite Möglichkeit besteht darin, die von der Membran-Rückseite des Lautsprechers ins Gehäusevolumen abgestrahlte Schallenergie über definierte akustische Impedanzen durch rückseitige Öffnungen des Gehäuses abzustrahlen. Das kapazitive Verhalten des internen Luftvolumens zusammen mit dem resistiven Verhalten der akustischen Impedanz bildet ein akustisches Tiefpassfilter, das bei geeigneter Dimensionierung die erforderliche Übertragungsfunktion für die rückseitige Schallabstrahlung erzeugt. Problematisch ist hier allerdings die Auswahl des akustischen Widerstandsmaterials mit den geeigneten Eigenschaften im benötigten Frequenzbereich. Daher wird die Erzeugung einer Richtwirkung durch bedämpfte rückseitige Öffnungen hauptsächlich im Mitteltonbereich angewandt, in welchem geeignete akustische Widerstandsmaterialien verfügbar sind. Weitere Angaben zu diesem Ansatz sind dem Artikel „Acoustic Resistance Box" – A Fresh Look at an Old Pricinple, Thomas J. Holmes, Journal Audio Engineering Society, Vol. 34, No. 12, Seiten 981–989, Dezember 1986, zu entnehmen.
Eine dritte Möglichkeit zur Erzielung einer gerichteten Schallabstrahlung besteht darin, eine zweite Schallquelle in einem definierten Abstand hinter der ersten Schallquelle einzusetzen, um den rückwärtig abgestrahlten Schall der ersten Schallquelle auszulöschen. Durch die Verwendung einer zweiten Schallquelle kann auch bei tiefen Frequenzen eine hohe Richtwirkung ohne große Lautsprecher-Arrays erreicht werden. Derartige Tiefton-Lautsprechersysteme werden aufgrund ihrer im Polardiagramm herzförmigen Abstrahlcharakteristik auch als kardioide Subwoofer-Systeme bezeichnet. Damit die gewünschte Auslöschung der Schallanteile hinter dem Lautsprechersystem über den gesamten angestrebten Arbeitsbereich des Lautsprechersystems erzielt wird, müssen Phasengang und Pegelverlauf der hinteren Schallquelle mit geeigneten Maßnahmen angepasst werden. Hierfür wird eine Kombination aus Signalverzögerung, Phasen- und Frequenzgang-Entzerrung für die Ansteuerung der hinteren Schallquelle gegenüber der vorderen Schallquelle benötigt. In der Praxis ist hierfür ein eigener Leistungsverstärkerkanal für die hintere Schallquelle erforderlich. Diese Technik ist in einigen derzeit am Markt befindlichen Produkten, z.B. dem Modell „J-SUB" der Firma d&b audiotechnik AG, verwirklicht. Nachteilig ist unter anderem der hierfür erforderliche Aufwand.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Lautsprechersystem zu schaffen, welches eine gerichtete Schallabstrahlung aufweist. Insbesondere soll die Richtwirkung auf einfachem Wege erreichbar sein und die in der Beschallungstechnik benötigten hohen Pegel erlauben.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabenstellung wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Nach Anspruch 1 umfasst ein Lautsprechersystem ein frontseitiges Lautsprechergehäuse mit mindestens einem ersten Lautsprecher und ein rückseitiges Lautsprechergehäuse mit mindestens einem zweiten Lautsprecher. Das rückseitige Lautsprechergehäuse ist dabei ein Bandpass-Gehäuse.
Die Erfindung beruht auf der Überlegung, das nötige Übertragungsverhalten der rückseitigen Schallquelle relativ zur frontseitigen Schallquelle durch einen geeigneten akustischen Resonator für die rückseitige Schallquelle zu erzielen. Die durch ein Bandpass-Gehäuse bewirkte Übertragungsfunktion (akustischer Bandpass) weist einen Durchgangsbereich auf, der in Richtung zunehmender Frequenzen durch einen akustischen Tiefpass begrenzt ist. Wie im Folgenden noch näher ausgeführt, ermöglicht ein akustischer Tiefpass in der Übertragungsfunktion (Frequenzgang) der rückseitigen Schallquelle eine weitgehende Auslöschung des rückwärtig abgestrahlten Schalls und damit die Erzeugung eines kardioiden bzw. hyperkardioiden Abstrahlverhaltens.
Sofern es sich bei dem rückseitigen Lautsprechergehäuse um ein wenigstens zweifach ventiliertes Bandpass-Gehäuse handelt, kann beispielsweise ein Bandpass 6. Ordnung mit einem entsprechenden Tiefpass-Verhalten im Bereich der oberen Bandgrenze erzielt werden. In alternativer Weise ist es auch möglich, dass das rückseitige Lautsprechergehäuse ein einfach ventiliertes Bandpass-Gehäuse ist. Einfach ventilierte Bandpass-Gehäuse bewirken ein Übertragungsverhalten entsprechend einem Bandpass-Filter 4. Ordnung und ermöglichen es ebenfalls, durch Ausnutzen des akustischen Tiefpass-Verhaltens eines solchen Bandpass-Filters im Bereich der oberen Bandgrenze den nach hinten abgestrahlten Schall abzuschwächen bzw. auszulöschen.
Bei dem frontseitigen Lautsprechergehäuse kann es sich um ein Hochpass-Gehäuse handeln. Ein ventiliertes Hochpass-Gehäuse (Bassreflex-Resonator) bewirkt einen akustischen Hochpass 4.
Ordnung, während ein geschlossenes Hochpass-Gehäuse einen akustischen Hochpass 2. Ordnung realisiert. Grundsätzlich ist es auch möglich, dass das frontseitige Lautsprechergehäuse ein Bandpass-Gehäuse ist, wobei dann jedoch die obere Bandgrenze zu höheren Frequenzen hin verlagert sein muss als beim rückseitigen Bandpass-Gehäuse.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausrührungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen in beispielhafter Weise erläutern; in diesen zeigen:
1 eine schematische Darstellung zur Erläuterung der rückwärtigen Schalldämpfung einer Schallquelle;
2 ein Polardiagramm zur Veranschaulichung der Rückwärtsdämpfung;
3 eine schematische Prinzipdarstellung zur Erläuterung der Auslöschung des Rückwärtsschalls einer ersten Schallquelle durch eine zweite Schallquelle;
4 ein Diagramm, in welchem der Frequenzgang des Rückwärtsschalls der ersten Schallquelle dargestellt ist;
5A ein Diagramm, in welchem der Frequenzgang eines Bandpass-Resonators mit einem Tiefpass-Verhalten zur Auslöschung des Rückwärtsschalls dargestellt ist;
5B ein Diagramm, in welchem die durch die Tiefpass-Charakteristik (5A) bewirkte Phasenverzögerung in schematischer Weise dargestellt ist;
6 eine schematische Darstellung eines Lautsprechersystems gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
7 eine schematische Darstellung eines Lautsprechersystems gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
8 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Lautsprechersystems mit elektrischer Signalvorverarbeitung;
9 ein Polardiagramm zur Veranschaulichung einer kardioiden Abstrahlcharakteristik; und
10 ein Polardiagramm zur Veranschaulichung einer hyperkardioiden Abstrahlcharakteristik.
Zunächst wird anhand von 1 erläutert, warum der rückseitige Frequenzgang einer Schallquelle relativ zum frontseitigen Frequenzgang tiefpassgefiltert erscheint.
1 zeigt eine tieffrequente Schallquelle (Subwoofer) 1, welche einen in ein rückseitig geschlossenes Gehäuse 3 eingebauten Tiefton-Lautsprecher (auch als Tiefton-Treiber bezeichnet) 2 aufweist. Allgemein ist die rückwärtige Dämpfung bei jedem Lautsprechersystem zu beobachten, bei welchem ein Lautsprecher 2 in ein rückseitig geschlossenes Gehäuse 3 eingebaut ist und dadurch zum akustischen Monopolstrahler wird. Die rückwärtige Dämpfung ist die Differenz des Pegels (in Dezibel) an der Rückseite zum Pegel (in Dezibel) an der Vorderseite der Schallquelle 1. Bei gegebener Größe der Schallquelle (d.h. gegebener Gehäusegröße) ist die Dämpfung frequenzabhängig. Je höher die Frequenz, desto stärker ist die Dämpfung. Die Dämpfung kommt dadurch zustande, dass die Dimensionen der schallabstrahlenden Fläche (Lautsprecher 2) mit zunehmender Frequenz näher an die Wellenlänge herankommen und somit eine stärkere Bündelung des abgestrahlten Schalls nach vorne stattfindet. Da mit zunehmender Frequenz Schall vermehrt nach vorne gerichtet wird, wird er mit zunehmender Fre quenz weniger nach hinten abgestrahlt. Dadurch erscheint der rückseitige Frequenzgang der Strahlungsquelle 1 relativ zum frontseitigen Frequenzgang der Strahlungsquelle 1 tiefpassgefiltert.
Bei einzelnen Gehäusen 3 ist die Dämpfung im Tiefton-Bereich nach hinten recht gering. Für ein typisches 18'' Lautsprechersystem beträgt sie etwa –3 dB bei 70 Hz. Größere Anordnungen bestehend aus einem Array von Lautsprechersystemen besitzen eine größere Direktivität. Eine Anordnung aus drei typischen 18'' Subwoofern erzeugt eine Rückwärtsdämpfung von etwa –5 dB, wie sie in dem in 2 gezeigten Polardiagramm dargestellt ist.
Das Prinzip einer weitgehenden Auslöschung des rückseitig abgestrahlten Schalls durch eine zweite, tieffrequente Schallquelle basiert darauf, dass die rückseitige Schallquelle den nach hinten abgestrahlten Schall der frontseitigen Schallquelle durch Erzeugung eines gegenphasigen Schallfeldes im rückwärtigen Bereich des Lautsprechersystems auslöscht. Anschaulich gesprochen „wartet" die rückseitige Schallquelle auf den von der frontseitigen Schallquelle ankommenden Schall, um ihn „beim Eintreffen" auszulöschen. Am Auslöschungspunkt muss also eine Laufzeitverzögerung des von der rückseitigen Schallquelle abgestrahlten Schalls gegenüber dem von der frontseitigen Schallquelle in Rückwärtsrichtung abgestrahlten Schalls vorliegen, die einer Phasendifferenz von 180° entspricht.
Aus dem Vorstehenden folgt, dass für die Auslöschung des Rückwärtsschalls der Schallquelle 1 durch eine zweite, in Rückwärtsrichtung abstrahlende Schallquelle zwei Bedingungen erfüllt sein müssen. Zum einen muss die rückseitige Schallquelle einen Amplituden-Frequenzgang in Form einer Tiefpass-Filterung aufweisen. Würde sie einen solchen Amplituden-Frequenzgang nicht aufweisen, würde der Pegelverlauf des von der hinteren Schallquelle 1 abgestrahlten Schalls nicht mit dem Pegelverlauf des Rückwärtsschalls von der vorderseitigen Schallquelle 1 übereinstimmen. Zum zweiten muss die Laufzeitverzögerung der rückseitigen Schallquelle so eingestellt werden, dass an einem gewünschten Auslöschungsort Phasengegenläufigkeit der beiden Schallfelder auftritt.
Erfindungsgemäß können beide Bedingungen durch die Wahl eines geeigneten akustischen Gehäuses (akustischer Resonator) für die rückseitig abstrahlende Schallquelle realisiert werden. Die 3 verdeutlicht in schematischer Weise den Grundaufbau eines erfindungsgemäßen Lautsprechersystems mit einer ersten, frontseitigen Schallquelle 1 und einer zweiten, rückseitigen Schallquelle 4. Die erste Schallquelle 1 weist ein Gehäuse 3 und die zweite Schallquelle 4 weist ein Gehäuse 5 auf. Die zur Auslöschung des Rückwärtsschalls der ersten Schallquelle 1 vorgesehene zweite Schallquelle 4 weist einen Tiefpass-Amplitudengang auf. Dieser wird vollständig oder zumindest teilweise (siehe 8) durch akustische Filterung mittels des Gehäuses 5 der zweiten Schallquelle 4 erreicht. Durch eine geeignete Wahl der das akustische Filter definierenden baulichen Eigenschaften der zweiten Schallquelle (z.B. Gehäusetyp, Gehäusedimension, usw.) kann der Tiefpass-Amplitudengang der zweiten Schallquelle 4 an den Tiefpass-Amplitudengang des Rückwärtsschalls der ersten Schallquelle 1 angepasst werden, wodurch es in einem gewünschten Bereich hinter dem Lautsprechersystem 1, 4 zu einer Auslöschung des Rückwärtsschalls von der ersten Schallquelle 1 kommt. Typischerweise sind die Schallquellen 1, 4 tieffrequente Schallquellen, die Erfindung kann jedoch auch im Mittelton-Bereich und prinzipiell in allen Frequenzbereichen zum Einsatz kommen.
Die Wirkungsweise des erfindungsgemäßen Lautsprechersystems wird anhand der 3, 4, 5A und 5B in qualitativer Weise erläutert.
4 zeigt den auf die Schallamplitude im Durchlassbereich normierten Frequenzgang des Rückwärtsschalls von der ersten Schallquelle 1. Wie bereits erläutert ist dieser aufgrund der mit steigender Frequenz zunehmenden Direktivität der ersten Schallquelle 1 tiefpassgefiltert. Mit f'_g ist die Grenzfrequenz der Tiefpass-Kennlinie der Rückwärtsschall-Abstrahlung bezeichnet.
5A zeigt in beispielhafter Weise den Frequenzgang der zweiten, nach hinten abstrahlenden Schallquelle 2. Durch Wahl eines geeigneten Lautsprechergehäuses 5 weist der Frequenzgang zu hohen Frequenzen hin ein Tiefpass-Verhalten auf. Z.B. weisen sowohl Bandpass-Gehäuse der 4. als auch der 6. Ordnung einen Tiefpass 2. Ordnung auf (sie unterscheiden sich nur in ihrem Hochpassverhalten). Mit f_g ist die Grenzfrequenz der Tiefpass-Kennlinie bezeichnet. Optimalerweise entspricht das Tiefpass-Verhalten der zweiten Schallquelle 4 dem Tiefpass-Verhalten des Rückwärtsschalls der ersten Schallquelle 1. D.h., dass die in den 4 und 5A gezeigten Kennlinien in Bezug auf die Ordnung des Tiefpasses und/oder die Lage der Grenzfrequenzen (f'_g ≈ f_g) ähnliche oder identische Charakteristika aufweisen sollten. Dadurch wird erreicht, dass die rückseitige, zweite Schallquelle 4 in der benötigten Weise mit zunehmender Frequenz weniger unerwünschte Schallanteile auslöschen muss. Mit anderen Worten ergibt sich durch den Frequenzgang-Abgleich die erforderliche Pegelkompensation hinter dem Lautsprechersystem 1, 4.
Wie bereits erwähnt, ist darüber hinaus an dem gewünschten Auslöschungsort X die Bedingung für die Laufzeitverzögerung (halbe Periodendauer) zu gewährleisten. Bei einem vorgegebenen Auslöschungsort X wird die dort auftretende Laufzeitverzögerung durch mehrere Größen beeinflusst. Zum einen spielt der Abstand der beiden Schallquellen 1, 4 eine Rolle. Je größer dieser Abstand ist, desto länger muss die rückwärts gerichtete Schallquelle 4 auf das Eintreffen des Rückwärtsschalls von der ersten Schallquelle 1 „warten".
Eine zweite Einflussgröße ist die Geometrie bzw. Dimensionierung der Lautsprechergehäuse 3, 5. Bei großvolumigen Lautsprechergehäusen 3, 5 muss der Rückwärtsschall einen weiteren Weg laufen als bei kleinvolumigen bzw. kleiner dimensionierten Lautsprechergehäusen 3, 5.
Eine dritte Einflussgröße ist die Frequenz. Für tiefe Frequenzen ist der effektive Laufweg um das Lautsprechersystem 1, 4 herum länger als für höhere Frequenzen. Anschaulich gesprochen laufen tiefe Frequenzen auf einem größeren Bogen um das Lautsprechersystem 1, 4 herum als höhere Frequenzen. Dies ist in 3 durch die Laufwege d'₂ für tiefe Frequenzen und d₂ für höhere Frequenzen veranschaulicht. In Bezug auf die zweite Schallquelle 4 treten nur geringe effektive Laufwegunterschiede für unterschiedliche Frequenzen am Auslöschungsort X auf, d.h. d₁ ≈ d'₁.
Infolge der Frequenzabhängigkeit der effektiven Laufweglänge für den Rückwärtsschall ist es erforderlich, dass der von der zweiten Schallquelle 4 abgestrahlte Schall frequenzabhängig verzögert wird. Dies wird erfindungsgemäß ebenfalls durch die akustische Tiefpass-Charakteristik der zweiten Schallquelle 4 erreicht. 5B veranschaulicht den Phasengang eines akustischen Tiefpass-Filters am Beispiel eines Tiefpass-Filters 2. Ordnung. Im niederfrequenten Bereich deutlich unterhalb der Grenzfrequenz fg verhält sich ein Tiefpass-Filter praktisch wie ein frequenzkonstantes Verzögerungsglied z.B. mit der Verzögerung 0. Im Übergang zu seinem Dämpfungsbereich zeigt der Tiefpass-Filter ein Allpass-Verhalten, d.h. er verhält sich wie ein frequenzabhängiges Verzögerungsglied. Für höhere Frequenzen ergibt sich eine längere Laufzeitverzögerung als für tiefere Frequenzen. Die Phasenverzögerung eines Tiefpass-Filters 2. Ordnung im Bereich f >> f_g ist –180°, bei der Grenzfrequenz f_g beträgt die Phasenverzögerung -90°. Dieses Verhalten ermöglicht es, bei geeigneter Abstimmung und Ausführung des Lautsprechersystems 1, 4 ein kardioides oder hyperkardioides Strahlverhalten zu erzeugen, ohne hierfür eine Filterung des elektrischen Ansteuersignals für die rückwärtige Schallquelle 4 zu benötigen. Insbesondere wird kein zweiter Leistungsverstärkerkanal für die Ansteuerung der rückwärtigen Schallquelle 4 benötigt.
Mit anderen Worten ist es möglich, die beiden Schallquellen 1, 4 mit ein und demselben Ansteuersignal anzusteuern und eine Auslöschung des Rückwärtsschalls von der ersten Schallquelle 1 allein durch das Vorsehen einer zweiten Schallquelle 4 mit einem akustischen Tiefpass-Verhalten und einer geeigneten Abstimmung der beiden Schallquellen zu ermöglichen. Dabei bewirkt das akustische Tiefpass-Filter zum einen die erforderliche frequenzabhängige Bedämpfung der Amplitudenfunktion des von der zweiten Schallquelle 4 abgestrahlten „Auslöschungsschalls" und erzeugt darüber hinaus eine geeignete Laufzeitverzögerung, welche die Gegenphasigkeit der beiden Schallfelder am Auslöschungsort X herbeiführt.
Die erforderliche Laufzeitverzögerung zur Gewährleistung der Gegenphasigkeit der beiden Schallfelder am Auslöschungsort X kann beispielsweise dadurch erzeugt werden, dass mittels des Tiefpass-Filters 2. Ordnung im Übertragungsbereich (d.h. im Bereich der Grenzfrequenz f_g) eine Phasenverschiebung von -90° erreicht wird und die restlichen benötigten -90° Phasenverschiebung durch bauliche Maßnahmen (Abstimmung der beiden Schallquellen 1, 4 in Bezug auf ihre Gehäusevolumina, Abstand der Lautsprecher, usw.) erzeugt wird.
Es wird darauf hingewiesen, dass generell jeder akustische Bandpass als rückseitige Schallquelle 4 bei einem erfindungsgemäßen Lautsprechersystem 1, 4 aufgrund seines Tiefpass-Verhaltens im Bereich der oberen -Bandgrenze zum Einsatz kommen kann.
Die 6 und 7 zeigen exemplarisch zwei Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung. Das in 6 dargestellte Lautsprechersystem (Subwoofer-System) weist als Lautsprecher 20 einen Tiefton-Treiber auf, der in ein nicht abgeschlossenes, sondern durch ein oder mehrere Kanäle 31, 32 nach außen verbundenes („ventiliertes") erstes Lautsprechergehäuse 30 eingebaut ist. Ein derartiges Lautsprechergehäuse 30 wird auch als Bassreflex-Gehäuse bezeichnet. Durch ein Bassreflex-Gehäuse 30 wird ein Bassreflex-Resonator realisiert, der ein akustisches Hochpass-Filter 4. Ordnung darstellt.
Bassreflex-Gehäuse ermöglichen es, Lautsprecher 20 mit relativ starken elektrodynamischen Antrieben zu nutzen. Darüber hinaus wird durch die Kanäle 31, 32 die Resonanzfrequenz des Gehäuses 30 in einen tieferen Frequenzbereich verschoben. Hierdurch werden Systeme mit einem höheren Wirkungsgrad oberhalb der Abstimmfrequenz des Bassreflex-Resonators als bei gleich großen geschlossenen Gehäusen ermöglicht.
Als rückwärtige Schallquelle 40 wird ein Bandpass-Gehäuse 50 mit einer ersten Kammer 50a und einer zweiten Kammer 50b eingesetzt. Sowohl die erste Kammer 50a als auch die zweite Kammer 50b sind ventiliert, d.h. über einen Kanal 51 bzw. 52 nach außen offen. Bandpass-Gehäuse dieses Typs werden auch als doppelt ventilierte Bandpass-Gehäuse bezeichnet. Doppelt ventilierte Bandpass-Gehäuse bilden einen akustischen Doppelresonator, der ein akustisches Bandpass-Filter 6. Ordnung realisiert. Der zweite Tiefton-Lautsprecher 60 befindet sich an einer Trennwand 70 zwischen den beiden Kammern 50a, 50b.
Da sich die Übertragungsfunktion eines akustischen Bandpasses 6. Ordnung von der eines akustischen Hochpasses 4. Ordnung durch einen zusätzlichen akustischen Tiefpass 2. Ordnung (siehe 5A, 5B) unterscheidet, kann durch die Kombination dieser akustischen Resonatoren bei einer geeigneten Abstimmung und Ausführung in Bezug auf die Dimensionierung der Gehäuse 30, 40 und den Abstand der beiden Lautsprecher 60, 20 ein kardioides oder hyperkardioides Abstrahlverhalten generiert werden, welches dem eines aktiv angesteuerten zweiten Lautsprechers 60 vergleichbar ist. Es wird darauf hingewiesen, dass bei dem erfindungsgemäßen Lautsprechersystem das kardioide oder hyperkardioide Abstrahlverhalten mit ein und demselben Ansteuersignal 80 für die beiden Lautsprecher 20, 60 erreicht werden kann.
7 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel. Die erste Schallquelle 100 wird durch einen Tiefton-Lautsprecher 200 realisiert, der in ein geschlossenes Gehäuse 300 eingebaut ist. Ein geschlossenes Gehäuse stellt einen akustischen Hochpass 2. Ordnung dar. Die rückseitige, zweite Schallquelle 400 weist ein Bandpass-Gehäuse 500 auf, das eine erste Kammer 500a und eine zweite Kammer 500b umfasst. Die erste Kammer 500a ist in dem hier dargestellten Beispiel über z.B. zwei Kanäle 501, 502 ventiliert. Die zweite Kammer 500b ist geschlossen und enthält einen Tiefton-Lautsprecher 600. Derartige Lautsprechergehäuse werden auch als einfach ventilierte Bandpass-Gehäuse (da nur eine Kammer ventiliert ist) bezeichnet. Sie realisieren ein akustisches Bandpass-Filter 4. Ordnung. Aufgrund des frontseitigen Bassreflex-Gehäuses 30 sind mit dem Lautsprechersystem der 6 (erstes Ausführungsbeispiel) bei gleichen Gesamtvolumina und gleichen Bandbreiten höhere Pegel erreichbar als mit dem in 7 gezeigten Lautsprechersystem (zweites Ausführungsbeispiel).
Wie bereits zum ersten Ausführungsbeispiel (6) erläutert, wird durch die Tiefpass-Charakteristik (ebenfalls Tiefpass 2. Ordnung) des akustischen Bandpasses 4. Ordnung im Bereich der oberen Bandgrenze die erforderliche Laufzeitverzögerung bei gleichzeitiger Amplitudendämpfung gemäß den vorstehenden Erläuterungen erreicht, wobei auch bei dieser Gehäusekombination durch eine geeignete Abstimmung der akustischen Resonatoren in Bezug auf Dimensionierung, Abstand der Lautsprecher usw. die Rückwärtsschallauslöschung sowie das gewünschte kardioide oder hyperkardioide Abstrahlverhalten ohne zusätzliche aktive oder passive Signalbearbeitung im Ansteuersignal für die zweite Schallquelle 400 erreicht werden kann. Wie beim ersten Ausführungsbeispiel können die beiden Lautsprecher 200 und 600 durch ein und dasselbe Ansteuersignal 800 angesteuert werden.
Beim ersten Ausführungsbeispiel (6) kann die Abstimmung der Resonatoren ferner dadurch erfolgen, dass die erste Kammer 50a und die zweite Kammer 50b des zweiten Lautsprechergehäuses 50 auf unterschiedliche Resonanzfrequenzen abgestimmt werden. Die tiefere Resonanzfrequenz sollte unterhalb der Resonanzfrequenz des Bassreflex-Gehäuses 30 liegen. Die höhere Resonanzfrequenz des Bandpass-Resonators wird dann zur Einstellung des gewünschten Tiefpass-Verhaltens geeignet gewählt.
Bei dem in 7 dargestellten zweiten Ausführungsbeispiel kann durch Abstimmung der Resonanzfrequenz des Bandpass-Gehäuses 500 ebenfalls das Tiefpass-Verhalten (Grenzfrequenz) des akustischen Bandpasses in gewünschter Weise beeinflusst werden.
Neben den in den 6 und 7 dargestellten Kombinationsmöglichkeiten von Resonatoren können erfindungsgemäße Lautsprechersysteme mit weiteren Resonator-Kombinationen geschaffen werden:

– Lautsprechersystem mit einem frontseitigen geschlossenen Gehäuse (Hochpass 2. Ordnung) und einem rückseitigen Bandpass-Gehäuse 6. Ordnung (z.B. zweifach ventiliertes Doppelkammer-Bassreflex-Gehäuse);
– Lautsprechersystem mit einem frontseitigen Bassreflex-Gehäuse (Hochpass 4. Ordnung) und einem rückseitigen Bandpass-Gehäuse 4. Ordnung (z.B. einfach ventiliertes Doppelkammer-Bassreflex-Gehäuse);
– Lautsprechersystem mit einem frontseitigen Bandpass-Gehäuse 4. Ordnung (z.B. einfach ventiliertes Doppelkammer-Bassreflex-Gehäuse) und einem rückseitigen Bandpass-Gehäuse 6. Ordnung (z.B. zweifach ventiliertes Doppelkammer-Bassreflex-Gehäuse);
– Lautsprechersystem mit einem frontseitigen Bandpass-Gehäuse 6. Ordnung (z.B. zweifach ventiliertes Doppelkammer-Bassreflex-Gehäuse) und einem frontseitigen Gehäuse desselben Typs (d.h. ebenfalls Bandpass-Gehäuse 6. Ordnung).

Die in der obigen Aufzählung genannten Resonator-Kombinationen sind in der Praxis zumindest teilweise schwieriger zu dimensionieren als die anhand der 6 und 7 beschriebenen Resonator-Kombinationen, ermöglichen jedoch ebenfalls bei geeigneter Auslegung/Dimensionierung die Unterdrückung des Rückwärtsschalls gemäß der erfindungsgemäßen Vorgehensweise.
Es wird darauf hingewiesen, dass durch eine geeignete Abstimmung der genannten akustischen Resonatoren sowohl eine kardioide als auch eine hyperkardioide Abstrahlcharakteristik erreichbar ist. Ferner kann die Entfernung des Auslöschungsortes X durch die Abstimmung beeinflusst und festgelegt werden. Dabei ist zu berücksichtigen, dass aufgrund der Frequenzabhängigkeit der Laufwegverzögerung an einem gewünschten Auslöschungsort X eine im Wesentlichen vollständige Auslöschung (Phasenverzögerung 180°) nur für eine bestimmte Frequenz eintritt. In der Praxis kann jedoch erreicht werden, dass an diesem Auslöschungsort X bei allen Frequenzen im Arbeitsbereich eine Phasenverzögerung von > 120° auftritt. Dies gewährleistet, dass an dem Auslöschungsort X niemals eine Signalerhöhung, sondern immer – wenigstens teilweise – eine Auslöschung des Schalls bewirkt wird.
In vielen Fällen wird ein Auslöschungsort X im Bereich von 3 bis 15 m hinter dem Lautsprechersystem vorteilhaft sein, da in diesem Bereich z.B. auf einer Bühne die Mikrophone angeordnet sind. Es kann aber auch ein Auslöschungsort X in größerer Entfernung (z.B. im Unendlichen) gewählt werden.
Die 8 veranschaulicht die Abstimmung eines erfindungsgemäßen Lautsprechersystems auf ein kardioides oder ein hyperkardioides Abstrahlverhalten. Wird der Frequenz- und Phasen gang der rückwärtigen Schallquelle 4 auf die Weglängendifferenz Δ1 = (df180 – dr180) abgestimmt, erhält man einen Auslöschungsort X.1 und demzufolge ein kardioides Abstrahlverhalten, wie es in dem Polardiagramm der 9 dargestellt ist. Wird der Frequenz- und Phasengang der rückwärtigen Schallquelle 4 auf die Weglängendifferenz Δ1 = (df135 – dr135) abgestimmt, erhält man einen Auslöschungsort X2 und demzufolge ein hyperkardioides Abstrahlverhalten, wie es in dem Polardiagramm der 10 dargestellt ist. Dabei bezeichnen dfα die Weglänge zwischen der ersten Schallquelle 1 (100) und dem Auslöschungsort X1 bzw. X2 und drα bezeichnet die Weglänge zwischen der zweiten Schallquelle 4 (400) und dem Auslöschungsort X1 bzw. X2, jeweils für einen Winkel α zwischen der Hauptabstrahlrichtung nach vorne und dem jeweiligen Auslöschungsort X1 bzw. X2. Das in 8 dargestellte Lautsprechersystem bestehend aus der Resonatoranordnung 100, 400 ist lediglich beispielgebend und kann z.B. durch das Lautsprechersystem 10, 40 des ersten Ausführungsbeispiels (6) oder ein anderes auf den erfindungsgemäßen Prinzipien beruhendes Lautsprechersystem 1, 4 ersetzt werden.
Wie bereits angesprochen, ist es bei dem erfindungsgemäßen Lautsprechersystem 1, 4 möglich, ein kardioides oder hyperkardioides Abstrahlverhalten allein durch eine geeignete bauliche Anpassung der Resonatoren 1, 4 in Bezug auf Gehäusetypen, Gehäusedimensionen, Abstand der Lautsprecher, usw. zu erreichen, ohne eine unterschiedliche Signalverarbeitung für die Lautsprecher der beiden Schallquellen 1, 4 vorzusehen. Weitere bisher noch nicht genannte Einflussgrößen sind die relative Polung der beiden Lautsprecher 20, 60 bzw. 200, 600 und ihre Einbaurichtung (diese beiden Einflussgrößen sind voneinander abhängig). Es ist bei der Erfindung jedoch auch möglich, den Phasengang und Pegelverlauf der zweiten Schallquelle 4 durch geeignete Maßnahmen im Ansteuerweg zu verändern. Hierdurch kann die Variabilität des Systems erhöht werden, da beispielsweise zwischen einem kardioiden und einem hyperkardioiden Abstrahlverhalten gewechselt werden kann. In
8 wird ein gemeinsamer Verstärkerkanal 6 für die Ansteuerung der beiden Lautsprecher 200, 600 genutzt. Im Ansteuerweg des zweiten Lautsprechers 600 für die Erzeugung des „Auslöschungsschalls" befinden sich in optionaler Weise ein Verzögerungsglied 7, ein Phasendreher 8 und ein (elektrisches) Tiefpass-Filter 9. Die Zeitverzögerung 6t des Verzögerungsglieds, der Phasenversatz δϕ des Phasendrehers 8 und die Filterkoeffizienten des Tiefpass-Filters 9 können variabel sein. Bei den genannten Bauelementen 7, 8 und 9 kann es sich um passive elektrische Bauelemente handeln. Sie ermöglichen eine zusätzliche Abstimmbarkeit des erfindungsgemäßen Lautsprechersystems 1, 4, die es gestatten, das konstruktiv festgelegte kardioide oder hyperkardioide Abstrahlverhalten des Lautsprechersystems 1, 4 „nachträglich" zu verändern bzw. an unterschiedliche Einsatzbedingungen anzupassen.
Es ist auch möglich, das erfindungsgemäße Lautsprechersystem 1, 4 über zwei getrennte Verstärkerkanäle anzusteuern, wobei in diesem Fall infolge des erfindungsgemäß vorgesehenen akustischen Tiefpassfilters nur noch eine relativ geringfügige Signalformung bzw. Signalverzerrung des elektrischen Ansteuersignals für den zweiten, rückwärtigen Lautsprecher benötigt wird. Wie die passiven elektrischen Bauelemente kann auch der zweite Verstärkerkanal zur nachträglichen Veränderung der baulich erzeugten kardioiden oder hyperkardioiden Abstrahlcharakteristik eingesetzt werden.
Darüber hinaus kann ein erfindungsgemäßes Lautsprechersystem sowohl für die erste Schallquelle 1 als auch für die zweite Schallquelle 4 mehrere Lautsprecher aufweisen. Eine Realisierungsmöglichkeit besteht darin, dass jeweils mehrere Lautsprecher in dem Gehäuse 3 und/oder dem Gehäuse 5 untergebracht sind. Ein erfindungsgemäßes Lautsprechersystem kann auch in Form eines Arrays aus einzelnen Lautsprechersystemen der bisher beschriebenen Art mit jeweils zwei Lautsprechergehäusen aufgebaut sein. In diesem Fall bezeichnet das Bezugszeichen 3 in 3 ein erstes Array von frontseitig angeord neten Lautsprechergehäusen und das Bezugszeichen 5 bezeichnet ein zweites Array von rückseitig angeordneten Lautsprechergehäusen. Solche Arrays bilden gleichsam skalierbare akustische Resonatoren, auf welche die vorstehenden Überlegungen und Ausführungsmöglichkeiten analog anzuwenden sind.

Claims

Lautsprechersystem mit einem frontseitigen Lautsprechergehäuse (3, 30, 300) mit mindestens einem ersten Lautsprecher (20, 200), und einem rückseitigen Lautsprechergehäuse (5, 50, 500) mit mindestens einem zweiten Lautsprecher (60, 600), wobei das rückseitige Lautsprechergehäuse (5, 50, 500) ein Bandpass-Gehäuse ist.
Lautsprechersystem nach Anspruch 1, wobei das Lautsprechersystem ein Tiefton-Lautsprechersystem ist.
Lautsprechersystem nach Anspruch 1 oder 2, wobei das rückseitige Lautsprechergehäuse ein wenigstens zweifach ventiliertes Bandpass-Gehäuse (500) ist.
Lautsprechersystem nach Anspruch 1 oder 2, wobei das rückseitige Lautsprechergehäuse ein einfach ventiliertes Bandpass-Gehäuse (50) ist.
Lautsprechersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das frontseitige Lautsprechergehäuse ein Hochpass-Gehäuse (30, 300) ist.
Lautsprechersystem nach Anspruch 5, wobei das frontseitige Lautsprechergehäuse ein ventiliertes Hochpass-Gehäuse (30) ist.
Lautsprechersystem nach Anspruch 5, wobei das frontseitige Lautsprechergehäuse ein geschlossenes Hochpass-Gehäuse (300) ist.
Lautsprechersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der an einem Hörort rückseitig des Lautsprechersystems auftretende Frequenzgang der aus dem Bandpass-Gehäuse mit zweitem Lautsprecher gebildeten Schallquelle (4) so auf den an dem Hörort auftretenden Frequenzgang der aus dem frontseitigen Lautsprechergehäuse mit dem ersten Lautsprecher gebildeten Schallquelle (1) abgestimmt ist, dass die beiden Frequenzgänge im Tiefpassbereich des Bandpasses im Wesentlichen übereinstimmen.
Lautsprechersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die beiden Lautsprechergehäuse (3, 30, 300; 5, 50, 500) baulich so aufeinander abgestimmt sind, dass der an einem Hörort rückseitig des Lautsprechersystems (1, 4) auftretende Phasengang der aus dem Bandpass-Gehäuse (5, 50, 500) mit zweitem Lautsprecher gebildeten Schallquelle (4) bei einer bestimmten Frequenz im Wesentlichen 180° zu dem an dem Hörort auftretenden Phasengang der aus dem frontseitigen Lautsprechergehäuse (3, 30, 300) mit dem ersten Lautsprecher gebildeten Schallquelle (1) verschoben ist.
Lautsprechersystem nach Anspruch 8 oder 9, wobei der Hörort 3 bis 15 Meter hinter dem Lautsprechersystem gewählt wird.
Lautsprechersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste Lautsprecher (20, 200) und der zweite Lautsprecher (60, 600) von demselben Ansteuersignal (80, 800) betrieben werden.
Lautsprechersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einem Verstärker, welcher einen gemeinsamen Verstärkerkanal (6) zur Erzeugung des Ansteuersignals des ersten Lautsprechers (20, 200) und des Ansteuersignals des zweiten Lautsprechers (60, 600) aufweist.
Lautsprechersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Ansteuersignal des zweiten Lautsprechers (60, 600) aus dem Ansteuersignal des ersten Lautsprechers (20, 200) durch eine Signalverarbeitung mittels passiver elektrischer Bauelemente (7, 8, 9) erzeugt wird.
Lautsprechersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das ein kardioides Abstrahlverhalten aufweist.
Lautsprechersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 13, das ein hyperkardioides Abstrahlverhalten aufweist.
Lautsprechersystem mit einem frontseitigen Lautsprechergehäuse (3, 30, 300) mit mindestens einem ersten Tiefton-Lautsprecher (20, 200), und einem rückseitigen Lautsprechergehäuse (5, 50, 500) mit mindestens einem zweiten Tiefton-Lautsprecher (60, 600), wobei das rückseitige Lautsprechergehäuse (5, 50, 500) ein zumindest zwei Kammern (50a, 50b; 500a, 500b) aufweisendes Bassreflex-Gehäuse (50, 500) ist.
Lautsprechersystem nach Anspruch 16, wobei das rückseitige Lautsprechergehäuse zwei Bassreflex-Kammern (50a, 50b) aufweist.
Lautsprechersystem nach Anspruch 16, wobei das rückseitige Lautsprechergehäuse eine geschlossene Kammer (500b) und eine Bassreflex-Kammer (500a) umfasst.
Lautsprechersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das frontseitige Lautsprechergehäuse ein Bassreflex-Gehäuse (30) ist.
Lautsprechersystem nach einem der Ansprüche 16 bis 18, wobei das frontseitige Lautsprechergehäuse ein geschlossenes Gehäuse (300) ist.
Lautsprechersystem nach einem der Ansprüche 16 bis 20, wobei das rückseitige Lautsprechergehäuse zwei Bassreflex-Kammern (50a, 50b) umfasst, und die Resonanzfrequenz der einen Bassreflex-Kammer des rückseitigen Lautsprechergehäuses (50) niedriger als eine Resonanzfrequenz des frontseitigen Lautsprechergehäuses (3, 30, 300) ist.
Lautsprechersystem nach einem der Ansprüche 16 bis 21, wobei der an einem Hörort rückseitig des Lautsprechersystems auftretende Frequenzgang der aus dem Bassreflex-Gehäuse (50, 500) mit zweitem Tiefton-Lautsprecher (60, 600) gebildeten Schallquelle (4) so auf den an dem Hörort auftretenden Frequenzgang der aus dem frontseitigen Lautsprechergehäuse (3, 30, 300) mit dem ersten Tiefton-Lautsprecher (20, 200) gebildeten Schallquelle (1) abgestimmt ist, dass die beiden Frequenzgänge im einem durch das Bassreflex-Gehäuse (50, 500) erzeugten Tiefpassbereich im Wesentlichen übereinstimmen.
Lautsprechersystem nach einem der Ansprüche 16 bis 22, wobei die beiden Lautsprechergehäuse (3, 30, 300; 5, 50, 500) baulich so aufeinander abgestimmt sind, dass der an einem Hörort rückseitig des Lautsprechersystems auftretende Phasengang der aus dem rückseitigen Lautsprechergehäuse (5, 50, 500) mit zweitem Tiefton-Lautsprecher (6, 60) gebildeten zweiten Schallquelle (4) bei einer bestimmten Frequenz im Wesentlichen 180° zu dem an dem Hörort auftretenden Phasengang der aus dem frontseitigen Lautsprechergehäuse (3, 30, 300) mit dem ersten Tiefton-Lautsprecher (60, 600) gebildeten ersten Schallquelle (1) verschoben ist.
Lautsprechersystem nach Anspruch 23, wobei der Hörort 3 bis 15 Meter hinter dem Lautsprechersystem gewählt wird.
Lautsprechersystem nach einem der Ansprüche 16 bis 24, wobei der erste Tiefton-Lautsprecher (20, 200) und der zweite Tiefton-Lautsprecher (60, 600) von demselben Ansteuersignal (80, 800) betrieben werden.
Lautsprechersystem nach einem der Ansprüche 16 bis 25, mit einem Verstärker, welcher einen gemeinsamen Verstärkerkanal (6) zur Erzeugung des Ansteuersignals des ersten Tiefton-Lautsprechers (20, 200) und des Ansteuersignals des zweiten Tiefton-Lautsprechers (60, 600) aufweist.
Lautsprechersystem nach einem der Ansprüche 16 bis 25, wobei das Ansteuersignal des zweiten Tiefton-Lautsprechers (60, 600) aus dem Ansteuersignal des ersten Tiefton-Lautsprechers (20, 200) durch eine Signalverarbeitung mittels passiver elektrischer Bauelemente (7, 8, 9) erzeugt wird.
Lautsprechersystem nach einem der Ansprüche 16 bis 27, das ein kardioides Abstrahlverhalten aufweist.
Lautsprechersystem nach einem der Ansprüche 16 bis 27, das ein hyperkardioides Abstrahlverhalten aufweist.
Lautsprechersystem mit einer ersten, frontseitigen Schallquelle (1) und einer zweiten, rückseitigen Schallquelle (4), wobei die zweite Schallquelle (4) entsprechend dem Amplituden-Frequenzgang eines von der ersten Schallquelle (1) abgestrahlten Rückwärtsschalls akustisch gefiltert ist.