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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf Schallwiedergabesysteme und
insbesondere auf Lautsprecher mit hoher Schallwiedergabebandbreite.
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Das
Interesse an Flachlautsprechertechnologien ist in den letzten 10
Jahren deutlich gewachsen. Im Wesentlichen ist dies durch den erhöhten Platzbedarf
moderner Schallwiedergabeverfahren, wie z. B. 5.1 Surround oder
Wellenfeldsynthese, und durch den schwindenden Installationsraum
für Lautsprecher in immer kleiner bzw. flacher werdenden Multimediageräten,
wie z. B. Mobiltelefon und Notebook, bedingt. Der Einsatz von Flachlautsprechern statt
konventionellen Lautsprechern soll diesen erhöhten Anforderungen
gerecht werden.
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Untersuchungen
an verschiedenen Flachlautsprechertechnologien, die in der Regel
so alt wie der Konuslautsprecher von Kellogg und Rice sind, haben
gezeigt, dass sowohl die Verwendung des gehäuselosen Flachlautsprechers
direkt an der Wand als auch der Einsatz eines flachen Lautsprechergehäuses
mit erheblichen Klangeinbußen verbunden ist. Stand der
Technik findet sich in Beer, D.: Flachlautsprecher – ein Überblick,
präsentiert auf der DAGA08, März 2008, Dresden; H.
Azima, J. Panzer, „Distributed-Mode Loudspeakers (DML)
in Small Enclosures", presented at the 106th AES Convention, Munich,
Germany, May 1999; Beer et al.: The air spring
effect of flat Panel speakers, presented at the 124th AES-Convention,
May 2008, Amsterdam/The Netherlands; und Wagner,
Roland: Electrostatic Loudspeaker – Design and Construction.
Audio Amateure Press, Peterborough, New Hampshire, 1993.
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Der
gehäuselose Flachlautsprecher ist in der Regel ein Dipolstrahler,
der infolge des akustischen Kurzschlusses einen geringen Schalldruckpegel
im Tieftonbereich aufweist. Bei der Installation in Wandnähe
kommt es bei einem solchen Dipol durch die Reflexion und Überlagerung
der rückwärtigen Schallanteil mit den Anteilen,
des auf der Membranvorderseite abgestrahlten Schalls und damit verbundenen Beugungseffekten
zu kammfilterartigen Klangverfärbungen oberhalb der Kurzschlussfrequenz.
Aus diesem Grund wird bei konventionellen Lautsprechern ein Lautsprechergehäuse
verwendet. Damit dennoch der Vorteil der flachen Konstruktionsweise
erhalten bleibt, werden flache Gehäuse verwendet, die in
der Regel ein kleineres Luftvolumen einschließen. Wie auch
bei konventionellen Lautsprechern verschiebt sich durch ein zu kleines
Luftvolumen die Grundresonanzfrequenz des Schallwandlers nach oben.
Die untere Grenzfrequenz steigt dadurch ebenso, was eine verringerte
Tieftonwiedergabe zur Folge hat.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen verbesserten
Lautsprecher zu schaffen.
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Diese
Aufgabe wird durch einen Lautsprecher gemäß Patentanspruch
1 gelöst.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass ein preisgünstiger,
flacher und dennoch hochqualitativer Lautsprecher durch Anordnen
eines Flächen-Arrays aus gehäuselosen Einzellautsprechern,
welche alle eine flache Form haben, in einem flachen Gehäuse
erreicht werden kann, wobei dieser Lautsprecher eine hohe Wiedergabebandbreite
oder einen ausreichenden Schalldruck in einem gewünschten
schmalen, z. B. tiefen, Frequenzbereich aufweist.
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Dieser
Lautsprecher ist dahingehend vorteilhaft, dass der Platzbedarf aufgrund
der Verwendung der flachen und typischerweise im Durchmesser kleinen
Einzellautsprecher sehr gering ist. Auch das pro Einzellautsprecher
erforderliche Gehäusevolumen ist aufgrund der Tatsache,
dass die gehäuselosen Einzellautsprecher klein und flach
sind, relativ gering, so dass das Gehäusevolumen des Flachgehäuses
derart klein ist, dass der gesamte Lautsprecher eine kompakte Bauform
hat. Insbesondere wird als Einzellautsprecher ein Element bevorzugt,
das eine niedrige Freiluftresonanz hat. Dann ist üblicherweise auch
das äquivalente Luftvolumen klein. Die Steifigkeit der
Membranaufhängung des Einzellautsprechers wird hier mit
der Steifigkeit eines äquivalenten Luftvolumens gleichgesetzt.
Insofern werden Einzellautsprecher mit einer Resonanzfrequenz kleiner
als 150 Hz und insbesondere sogar kleiner als 120 Hz oder sogar
kleiner als 100 Hz bevorzugt.
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Ein
weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass
sie die Verwendung von flachen gehäuselosen Einzellautsprechern
ermöglicht, wobei das erforderliche Gehäusevolumen
mit einem nahezu beliebigen Formfaktor, also mit einem flachen Gehäuse
bereitzustellen. Die Verwendung von gehäuselosen Einzellautsprechern
mit flachem Formfaktor hat ferner den Vorteil, dass diese Einzellautsprecher
sehr preisgünstig in großer Stückzahl verfügbar
sind. Durch Anordnung dieser gehäuselosen Einzellautsprecher
in einem Flächen-Array wird eine Kopplung der Lautsprecher
bei tiefen Frequenzen ausgenutzt, um auch bei tiefen Frequenzen,
wie beispielsweise bei 100 Hz einen ausreichenden Schalldruck zu
erzeugen. Andererseits ist die Verwendung von kleinen Einzellautsprechern,
also von Einzellautsprechern mit einem Membrandurchmesser, der verhältnismäßig
klein ist, insbesondere bei hohen Frequenzen von großem
Vorteil im Vergleich zu einer Verwendung von Lautsprechern mit größeren
Membranen, weil bei kleinen Membranen gegenüber größeren
Membranen erst bei höheren Frequenzen Partialschwingungen
auftreten.
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Ein
weiterer Vorteil besteht darin, dass eine variable Ansteuerung der
vielen gehäuselosen Einzellautsprecher, und damit von Teilflächen
des Flächen-Array, erfolgen kann. Es soll eine über
weite Teile ortsunabhängige Vollbereichsbeschallung im Raum
vor dem Lautsprecher so gut als möglich zu erreichen sein,
trotz der Tatsache, dass der Lautsprecher ein Einzellautsprecher-Array
großer Abmessungen aufweist.
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Vorzugsweise
umfasst der Lautsprecher ausschließlich identische Einzellautsprecher,
die beispielsweise Kopfhörerkapseln oder allgemein gesagt Miniaturschallwandler
sein können. Dies führt dazu, dass die Herstellung
des Lautsprechers zu einem günstigen Preis möglich
ist. Bei einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel
werden die Einzellautsprecher in mehreren Arrays gruppiert, wobei
das Flächen-Array mit den einzelnen Einzellautsprechern für
die Tieftonwiedergabe vorgesehen ist und ein Array von einem oder
mehreren gleichen Einzellautsprechern für eine Hochtonwiedergabe
vorgesehen ist, wenn ein 2-Wege-System eingesetzt wird. Alternativ
kann auch ein 3-Wege-System implementiert werden, bei dem das zweite
Array mehrere Mitteltöner umfasst und der Hochtonbereich
vorzugsweise von einem einzigen oder von nur wenigen Einzellautsprechern
bestritten wird. Allerdings liefert auch bereits ein Ein-Wege-System
mit gehäuselosen flachen Einzellautsprechern eine gute
Wiedergabe in einem überraschend großen Wiedergabeband.
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Bei
einem anderen Ausführungsbeispiel wird es bevorzugt, dem
Flächenarray nur das Tiefpasssignal zu liefern und dem
weiteren Array, das für die mittleren oder hohen Töne
zuständig ist, das Audiosignal mit der gesamten Bandbreite
zur Verfügung zu stellen. Das heißt, dass eine
Frequenzweiche in diesem Fall nur eine Tiefpassfunktion und keine
Hochpassfunktion hat.
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Bei
bevorzugten Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung
werden Lautsprecher erhalten, die trotz eines flachen Lautsprechergehäuses von
weniger als 5 cm und insbesondere weniger als 3 cm Tiefe mit identischen
Einzellaut sprechern eine Wiedergabe des Frequenzbereichs von 100
Hz bis 20 kHz mit einer Sensitivität von wenigstens 90
dB/1 W/1 m ermöglichen. Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel
umfasst 25 Miniaturschallwandler, welche ein etwa 21 × 21
cm großes Flächen-Array bilden, das zwei Teil-Arrays
für die Tieftonwiedergabe und ein zwischen diesen beiden
Teilarrays vorhandenes Linienarray für eine Hochtonwiedergabe
aufweist.
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Bevorzugte
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden
nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnung detailliert
erläutert. Es zeigen:
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1a eine
Vorderansicht eines Lautsprechers gemäß einem
ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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1b eine
Rückansicht des Lautsprechers gemäß einem
ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
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1c eine
Verschaltung der gehäuselosen Einzellautsprecher gemäß einem
Ausführungsbeispiel;
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1d eine
frequenzmäßige Aufteilung der Arrayelemente von 1a für
eine 3-Wege-Ansteuerung;
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2a eine
Vorderansicht eines Lautsprechers gemäß einem
zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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2b eine
Darstellung des Gehäuses des Lautsprechers von 2a;
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2c eine
Rückansicht des Lautsprechers von 2a ohne
Gehäuserückwand;
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2d eine
Belegung der gehäuselosen Einzellautsprecher für
eine 2-Wege-Ansteuerung;
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2e eine
alternative Implementierung des Lautsprechers von 2a mit
angesetzten Fasen;
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3 eine
Verschaltung der gehäuselosen Einzellautsprecher mit zusätzlicher
Treiberelektronik für die in 2d gezeigte
Lautsprecherbelegung;
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4a eine
schematische Darstellung des flachen Gehäuses des Lautsprechers
von 2a, 2b und 2c;
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4b eine
alternative schematische Darstellung des Gehäuses des Lautsprechers
von 2a, 2b und 2c;
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5a eine Übertragungsfunktion
einer Frequenzweiche für eine 2-Wege-Ansteuerung;
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5b die
Frequenzgänge des Hoch- und des Tieftonwegs für
den in 2a gezeigten Lautsprecher;
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5c einen
Frequenzgang des 2-Wege-Lautsprechers gemäß 2a–2d ohne
Entzerrung;
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5d einen
entzerrten Frequenzgang des Lautsprechers von 2a mit
einer Ansteuerung gemäß 3;
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6a eine
Vorderansicht und eine Rückansicht eines bevorzugten gehäuselosen
Einzellautsprechers in Form einer Kopfhörerkapsel;
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6b technische
Daten des gehäuselosen Einzellautsprechers von 6a;
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7a eine
schematische Darstellung eines Einsatzbereiches für Flachlautsprecher
mit verkippt angeordneten Hoch- bzw. Mitteltönern; und
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7b eine
schematische Darstellung eines Lautsprechers mit einem zurückgesetzten
Mittel- bzw. Hochtonarray mit einem Horn bzw. Wave-Guide zum Vergleichmäßigen
der Richtcharakteristik des Mittel- bzw. Hochtonarrays.
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1a zeigt
eine Vorderansicht eines Lautsprechers gemäß einem
Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Der Lautsprecher
in 1a umfasst ein Flächen-Array 10 aus
gehäuselosen Einzellautsprechern 11a, 11b, 11c,
..., wobei jeder gehäuselose Einzellautsprecher eine flache
Form aufweist, wie es bereits anhand der Rückansicht in 1b anhand
des gehäuselosen Einzellautsprechers 11d zu sehen
ist. Insbesondere zeigt die Vorderansicht in 1a pro
Einzellautsprecher den vorderen Bereich, also eine Aufsicht auf
die Membran des Lautsprechers, während die Rückansicht
veranschaulicht, dass der gesamte Einzellautsprecher so flach ist,
dass er in dem in 1b gezeigten Gehäuse
bzw. in der entsprechenden Gehäusebohrung aufgenommen ist
und kaum über die Bohrung hervorsteht. Wie es noch anhand
von 4a zu sehen ist, ist bei dem gehäuselosen
Einzellautsprecher, der beispielhaft in 1b und 1a eingesetzt
ist, und der in 6a detailliert dargestellt ist,
der Einzellautsprecher nahezu vollständig in der Gesamtdicke
des Materials der Lautsprechervorderwand aufgenommen, derart, dass
der Lautsprecher nur ein kleines Stück über die
Gehäusevorderwand hervorsteht und rückseitig aus
der Gehäusevorderwand ebenfalls nur ein kleines Stück
hervorsteht, wobei der Vorstand aus der Gehäusevorderwand
bei einem Ausführungsbeispiel lediglich 4,5 mm beträgt
und der Lautsprecher lediglich etwa 1,5 mm auf der rückwärtigen Seite
der Gehäusevorderwand vorsteht und damit ein extrem flacher
Einzellautsprecher ist.
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Dennoch
wird es aufgrund des besseren Verhaltens bevorzugt, elektrodynamische
gehäuselose Einzellautsprecher einzusetzen, die prinzipiell
wie Konus-Lautsprecher aufgebaut sind. Konus-Lautsprecher haben
bereits eine systembedingte Mini maltiefe. Insbesondere bei Kopfhörerkapseln
ist jedoch diese Tiefe sehr gering, so dass Kopfhörerkapseln,
wie sie beispielsweise in 6a und 6b dargestellt
sind, mit einer sehr geringen Tiefe, nämlich z. B. nur
mit einer Bautiefe von 10,6 mm, geeignet sind und außerdem
preisgünstig angeboten werden.
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1c zeigt
eine Ansteuerung der einzelnen gehäuselosen Einzellautsprecher
in 1a im Falle einer 1-Wege-Implementierung. Insbesondere
werden aus den gehäuselosen Einzellautsprechern des Flächenarrays
wenigstens zwei Gruppen wenigstens zwei Lautsprechern gebildet,
wobei bei dem in 1c gezeigten Ausführungsbeispiel
fünf Gruppen 12a–12e gebildet
werden, wobei jede Gruppe fünf Einzellautsprecher aufweist,
so dass der gesamte Lautsprecher insgesamt 25 gehäuselose
Einzellautsprecher aufweist.
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Generell
wird es bevorzugt, Lautsprecher bereitzustellen, deren Anzahl von
Einzellautsprechern zwischen 9 und 49 variiert, wobei die genaue Anzahl
der Einzellautsprecher davon abhängt, wie die einzelnen
Verhältnisse der Einzellautsprecher sind, und welcher Schalldruckpegel
insbesondere im unteren Frequenzbereich, für den der Lautsprecher vorgesehen
ist, gefordert wird.
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Bei
dem in 1a und 1b gezeigten Ausführungsbeispiel
ist der Membrandurchmesser eines Einzellautsprechers 36 mm. Bei
bevorzugten Ausführungsbeispielen werden gehäuselose
Einzellautsprecher bevorzugt, deren Membrandurchmesser kleiner als
5 cm und vorzugsweise sogar kleiner als 4 cm ist, da bei der erfindungsgemäßen
Flächen-Array-Anordnung das Verhalten im Hochtonbereich
besser wird, je kleiner der Membrandurchmesser eines Einzellautsprechers
wird. Kleinere Membranflächen, die durch kleinere Einzellautsprecher
erreicht werden, und die Verwendung von gehäuselosen Einzellautsprechern
ermöglichen eine dichtere Anordnung der Einzellautsprecher,
um damit die Gesamtgröße des Arrays zu verkleinern.
Dies führt zu einer reduzierten Richtwirkung.
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Außerdem
werden Partialschwingungen, die zu ausgeprägten räumlichen
Variationen des Schalldruckpegels im Raum führen können,
zu unkritischeren höheren Frequenzen hin verschoben. Dort
treten die Partialschwingungen zwar ebenfalls auf, sind aber aufgrund
der Tatsachen, dass sie nicht bei tiefen Frequenzen sind, nicht
mehr störend.
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Der
damit verbundene Abfall des Schalldruckpegels bei tiefen Frequenzen
wird durch eine gekoppelte Anordnung von mehreren Einzellautsprechern
im Array kompensiert, wobei es jedoch wesentlich ist, dass die Einzellautsprecher
für die Tieftonwiedergabe in einem Flächen-Array
angeordnet werden und nicht etwa in einem Linien-Array. Ein Flächen-Array
erfordert wenigstens zwei benachbarte Reihen, wobei eine Reihe wenigstens
zwei Lautsprecher haben muss und die andere Reihe wenigstens einen
Lautsprecher haben muss. So ist bereits eine Dreiecks-Anordnung
aus den Lautsprechern 11a, 11b, 11c in 1a ein
Flächen-Array, wobei Flächen-Arrays in Form eines
Rechtecks, Quadrates oder eines Kreises bzw. einer Ellipse bevorzugt
werden. Insbesondere ein quadratisches Array wird am meisten bevorzugt,
weil die Quadratform der Kreisform am nächsten kommt und
die gewissermaßen rechtwinklige Anordnung der einzelnen
Einzellautsprecher, die zu einem insgesamten Quadrat für
das Flächen-Array führt, es ermöglicht,
die Einzellautsprecher möglichst nah aneinander anzuordnen.
Insbesondere werden die Einzellautsprecher derart nah aneinander
angeordnet, dass sie sich berühren oder dass zwischen den
Einzellautsprechern, die zueinander benachbart sind, ein direkter
Abstand besteht, der kleiner als 5 mm und insbesondere kleiner als
3 mm ist.
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Die
in 1c gezeigte Seriell-/Parallel-Schaltung ermöglicht
es, dass das gesamte Lautsprecher-Array noch einen nennenswerten
Ohmschen Widerstand hat, im Vergleich zu der Situation, bei der
alle Lautsprecher parallel geschaltet sind, so dass der fließende
Strom die Belastbarkeit der Schwingspulen der Schallwandler nicht übersteigt. Im
Vergleich zu einer kompletten Serienschaltung aller einzelnen Lautsprecher
wird jedoch durch die Serien-Parallelschaltung erreicht, dass sich
nicht alle, in Reihe geschalteten Lautsprecher gegenseitig elektrisch
beeinflussen Die Seriell-/Parallel-Schaltung gemäß 1c stellt
somit einen guten Kompromiss zwischen der Komplexität der
Verdrahtung der Einzellautsprecher und der von den Einzellautsprechern vorgegebenen
Spezifikationen für Maximalstrom dar.
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1d zeigt
eine alternative Implementierung des in 1a gezeigten
Ausführungsbeispiels, bei dem die Einzellautsprecher ähnlich
wie in 1a angeordnet sind, die jedoch
als 3-Wege-System angesteuert werden. Hierbei wird das Flächen-Array aus
gehäuselosen Einzellautsprechern in eine erste Array-Hälfte 13a aus
Tiefton-Lautsprechern und eine zweite Array-Hälfte 13b aus
Tiefton-Lautsprechern ausgebildet. Diese beiden Arrayhälften
bzw. Teilarrays werden von einem weiteren Array aus Mittelton-Lautsprechern 13c und
einem noch weiteren Array, das nur aus einem einzelnen Hochton-Lautsprecher 13d besteht,
getrennt. Bei der in 1d gezeigten Implementierung
werden die beiden mit „x” bezeichneten Einzellautsprecher
kurzgeschlossen, also deaktiviert, dahingehend, dass diese beiden
Einzellautsprecher nicht zur Schallausgabe beitragen und ein Schwingen
als Passivmembran verhindert werden kann.
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Bei
dem in 1d gezeigten Ausführungsbeispiel
ist zu sehen, dass die Anzahl der Tiefton-Einzellautsprecher wesentlich
größer ist als die Anzahl der Mittelton-Lautsprecher
oder der Hochton-Lautsprecher. Diese Aufteilung zugunsten der Tiefton-Wiedergabe
wird vorgenommen, um durch eine Kopplung der Einzellautsprecher
für den Tieftonbereich, die dadurch erreicht wird, dass
die Tiefton-Einzellautsprecher in einem Flächen-Array so
nah als möglich zusammen angeordnet werden, ein ausreichender
Schalldruck bei tiefen Frequenzen bereitgestellt wird.
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Erfindungsgemäß wird
trotz eines flachen Lautsprechergehäuses von nur 2,4 cm
Innentiefe und der damit verbundenen ho hen Federsteifigkeit des
eingeschlossenen Luftvolumens, die Wiedergabe des Frequenzbereiches
von 100 Hz (–6 dB) bis zu 20 kHz (–6 dB) mit einer
Sensitivity von 101 dB/1 W/1 m ermöglicht. Dazu wird aus
25 Miniaturschallwandlern ein 21 cm × 21 cm großes
Array gebildet und in ein Gehäuse der Größe
(L × B × H) eingebaut. Die Ansteuerung der einzelnen
Treiber wird auf die Zielvorgabe eines möglichst linearen
Amplitudenfrequenzganges und einer gleichmäßigen
Directivity in Hauptabhörrichtung angepasst. Zu diesem
Zweck wird das Array als Dreiwege-System ausgelegt. Der Array-Ansatz
wird deshalb gewählt, um eine möglichst gleichmäßige
Verteilung der Antriebskraft auf die Membran zu realisieren und
um mittels vieler kleiner Membranflächen das Auftreten
von Partialschwingungen zu höheren Frequenzen zu verschieben.
Im Gegensatz zu einer großen Membranfläche ist
außerdem das wesentlich geringere Gewicht der Einzelmembrane
von großem Vorteil für die Wiedergabe hoher Frequenzen.
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Insbesondere
für die Wellenfeldsynthese-Anwendung bietet der Array-Ansatz
die Möglichkeit, den Lautsprecherabstand zwischen benachbarten
Wiedergabekanälen veränderlich zu gestalten, indem
die Gruppierung von Wandlern zu einem Wiedergabekanal beliebig möglich
ist. Eine Randbedingung bei der Wellenfeldsynthese ist die ”räumliche Abtastfrequenz”,
die es erfordert, dass zur Aliasing-freien Wiedergabe eines Tons
von 1 kHz alle 17 cm ein Lautsprecherelement vorhanden ist, das mit
einem jeweils eigenen Signal angesteuert wird. Bei 10 kHz sollte
der Abstand bei 1,7 cm liegen, bei 100 Hz aber bei 1,7 m. Ein Abstand
von 1,7 m kann leicht erfüllt werden. Ein Abstand von 1,7
cm dagegen schwer oder nur annähernd. Der erfindungsgemäße
Flachlautsprecher ermöglicht es, größere Gruppen
von Einzellautsprechern mit einem tiefpassgefilterten Signal zu
versorgen, die eine größere Breite haben. Hier
gibt es eine vorteilhafte Synergie, weil Einzellautsprecher im tiefen
Bereich ohnehin in einem Flächenarray benötigt
werden, um einen ausreichenden Schalldruck zu liefern. Dagegen werden
benachbarte Gruppen oder einzelne nebeneinander liegende Lautsprecher
mit unter schiedlichen Lautsprechersignalen versorgt, um für
die höheren Frequenzen einen kleinen Kanalabstand zu erzeugen,
der in der Größenordnung des Membrandurchmessers liegt.
Das Lautsprechersignal kann jeweils ein Hochpasssignal oder ein
Signal mit Hochpass- und Tiefpassanteilen sein.
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Vorzugsweise
ist also ein weiteres Array von Einzellautsprechern vorhanden, wobei
Einzellautsprecher es Flächenarrays so gruppiert sind,
dass räumlich benachbarte Wellenfeldsynthesekanäle
mit begrenzter Bandbreite unter 1 KHz durch nebeneinander liegende
Gruppen von Einzellautsprechern wiedergebbar sind, deren Abstand
größer ist als der zwischen benachbarten Einzellautsprechern
oder im Vergleich zu den Gruppen kleineren Grüppchen, die räumlich
benachbarte Wellenfeldsynthesekanäle mit Signalanteilen über
1 kHz wiedergeben.
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Erfindungsgemäß wird
ein Lautsprecher erhalten, der einen linearen Frequenzgang über
einen möglichst großen Frequenzbereich, gutes
Impulsverhalten, ein gleichmäßiges und für
die Anwendung sinnvolles Abstrahlverhalten aufweist, und der in
der Lage ist, einen maximalen Schalldruckpegel von 101 dB oder mehr
in einem 1 m Abstand zu erzeugen, wobei der Lautsprecher dabei außergewöhnlich
flach ist. Der Flachlautsprecher ist dahin gehend vorteilhaft, dass
er unauffällig in die Umgebung integrierbar ist und trotzdem
gute Übertragungseigenschaften hat. Die Gehäusekonstruktion
soll so sein, dass eine besonders geringe Bautiefe von 5 und vorzugsweise 3,6
cm bzw. noch bevorzugter 3,0 cm nicht überschritten wird.
Zu diesem Zweck werden akustische Treiber verwendet, die eine sehr
geringe Bautiefe haben. Bevorzugt wird das elektrodynamische Prinzip des
Konuslautsprechers als Schallwandler, da diese Technologie gut beherrschbar
und leistungsfähig ist. Die geforderte geringe Bautiefe
erfordert den Einsatz von Miniaturlautsprechern und bedingt somit
kleine Membranflächen. Daher werden einzelne Treiber in einer
Gruppenanordnung verwendet, wobei es in einem solchen Flächen-Array
möglich ist, im Gegensatz zu einem einzelnen großen
Biegewellenwandler bzw. Einzelkolbenstrahler mit gleicher Membranfläche,
die jeweils aktive Strahlerfläche durch frequenzabhängige
Ansteuerung der Array-Elemente bei Bedarf zu verändern.
Diese Option ist bezüglich der Vermeidung von Seitenkeulenbildung
bei hohen Frequenzen und der Vermeidung von Partialschwingungen
von Vorteil, wobei der Membranradius möglichst so gewählt
wird, dass Partialschwingungen erst bei unkritischen Frequenzen
auftreten. Gegenüber bekannten Dickenschwingern ist ein
wesentlich höherer Membranhub und damit eine höhere
Lautstärke im unteren Frequenzbereich erreichbar. Daher
sind Flächen-Arrays für die erfindungsgemäßen
Flachlautsprecher günstig.
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6a zeigt
eine Vorderansicht und eine Rückansicht eines vorzugsweise
verwendeten Miniaturlautsprechers bzw. „Miniaturchassis”.
Die Miniaturchassis ist vorzugsweise als rückwärtig
offene Kopfhörerkapsel, wie in 6a gezeigt,
ausgeführt. Die messtechnisch ermittelten Parameter eines
solchen gehäuselosen Einzellautsprechers sind in der Tabelle
in 6b dargestellt. Die Freiluftresonanzfrequenz eines
solchen Einzellautsprechers liegt bei 120 Hz.
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Sowohl
bei dem in 1a gezeigten Lautsprecher als
auch bei dem Bezug nehmend auf die 2a–2e diskutierten
Lautsprecher gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung wird ein geschlossenes Gehäuse
eingesetzt. Bei einem anderen bevorzugten Ausführungsbeispiel
kann auch ein geöffnetes Gehäuse eingesetzt werden,
insbesondere mit einem Bassreflex-System, also einem Bassreflexgehäuse
als Helmholtz-Resonator, wie er aus der Technik bekannt ist.
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Bezüglich
des Materials des flachen Gehäuses wird ein geeignet steifes
Material bevorzugt, um ein ausreichend versteiftes Gehäuse
zu erhalten, das mit einer Materialstärke von weniger als
7 mm und insbesondere sogar mit einer Materialstärke von
3 mm oder noch weniger auskommt. Es wird be vorzugt, als Material
Stahlblech oder profilierten Kunststoff zu verwenden, obgleich auch
Holz eingesetzt werden kann. Es wird bevorzugt, um die Anfälligkeit für
Längs- und Quermoden gleicher Frequenz zu minimieren, dass
die Kantenabmessungen des gesamten Lautsprechers in keinem ganzzahligen
Vielfachen zueinander sind oder dass der Lautsprecher nicht parallele
Wände aufweist. Um dennoch einen gewünschten optischen
Eindruck mit parallelen Wänden zu haben, kann ein inneres
Gehäuse mit nicht parallelen Wänden in ein äußeres
Gehäuse mit parallelen Wänden gesetzt werden.
Ein Beispiel für eine Innenabmessung des in 1a gezeigten
Ausführungsbeispiels beträgt 61,5 cm Breite, 80
cm Höhe und 2,4 cm Tiefe. Bei einer Verwendung eines 6
mm MDF-Plattenmaterials ergeben sich Außenmaße
mit einer Breite von 63,7 cm, einer Höhe von 81,2 cm und
einer Tiefe von 3,6 cm.
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Gegen
das Mitschwingen des Gehäuses wird es bevorzugt, im Gehäuseinneren
Stege zwischen Vorder- und Rückseite einzubringen, und
es wird ferner bevorzugt, auf die Rückwand von außen Profile
aufzubringen. Wie es beispielsweise in 2a, 2b zu
sehen ist, wird es bevorzugt, dass das Flächen-Array bezüglich
der Breite zentral und zu den Kanten parallel einzubringen, jedoch
bezüglich der Höhe exzentrisch anzuordnen. Die
Einzellautsprecher werden insbesondere in einzelnen Bohrungen untergebracht
und teilweise im Gehäusematerial eingelassen. Die Einzellautsprecher
können z. B. mit Heißklebstoff oder einem anderen
Dichtungsmaterial eingeklebt und insbesondere akustisch abgedichtet
werden.
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Ein
Vorteil der Array-Anordnung ist die Möglichkeit, einzelne
Elemente und damit einzelne Teilflächen des Arrays unterschiedlich
anzusteuern. Um die aktiven Elemente des Arrays frequenzabhängig bestimmen
zu können, wird vorzugsweise eine Mehrwege-Ansteuerung
verwendet. Zu diesem Zweck wird das Flächen-Array, wie
es anhand von 1d beschrieben worden ist, in
zwei Teilarrays 13a, 13b für die Tieftonwiedergabe
aufgeteilt.
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Alternativ
zu dem in 1d gezeigten Ausführungsbeispiel
würde eine 2-Wege-Anordnung darin bestehen, dass in der
mittleren Spalte alle Lautsprecher bis auf den einzigen in der Mitte
deaktiviert oder nicht vorhanden sind, wobei der einzige mittlere Lautsprecher
dann als einziger Hochtöner wirken würde. Um den
maximal erzielbaren Schalldruckpegel zu erhöhen, wird das
in 1d gezeigte 3-Wege-System verwendet. Insbesondere
wird, damit sich der von den 3 Wegen abgestrahlte Schallphasen richtig überlagert,
der Mitteltonzweig um 0,5 ms und der Hochtonzweig um 0,52 ms gegenüber
dem Tiefton-Array verzögert.
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Um
das Abstrahlverhalten noch weiter zu verbessern, wird es bevorzugt,
eine 2-Wege-Ansteuerung mit Hochtonweg in Form eines Sessel-gewichteten
linearen Arrays zu verwenden, wie sie in 2d schematisch
gezeigt ist. Damit wird eine Bündelung und Seitenkeulenbildung
besser unterdrückt. Dieser Effekt wird noch verbessert,
wenn, wie es in 2d gezeigt ist, die Hochton-Einzellautsprecher
in der Mitte angeordnet sind, und das Flächen-Array aus
Tiefton-Lautsprechern in zwei Teil-Arrays 13a, 13b aufteilen.
Im Gegensatz zur 1d existiert in 2 jedoch
lediglich ein weiteres Hochton-Array 13e, wobei die einzelnen
Hochton-Lautsprecher mit den Gewichtungen angesteuert werden, wie
sie in 2d schematisch angegeben sind.
Es sei darauf hingewiesen, dass die Gewichtungsfaktoren 0,5, 1, –1
lediglich aufgrund einer schaltungstechnisch einfachen Realisierung
der Sessel-Gewichte erhalten worden sind, die sich rechnerisch jedoch
zu 0,11, 0,44, 0,76, –0,44 und 0,11 ergeben, und nur mit
größerem Aufwand zu realisieren sind.
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Die
in 2d gezeigte Ansteuerung findet derart statt, dass
die drei Einzellautsprecher in der Mitte des Arrays 13e mit
voller Amplitude angesteuert werden, wobei jedoch der untere dieser
drei Einzellautsprecher mit invertierter Phase angesteuert wird, während
der oberste Einzellautsprecher und der unterste Einzellautsprecher
des Arrays 13e mit halber Amplitude angesteuert werden.
Diese Pegel- und Phasenverhältnisse lassen sich, entgegen
den Sessel-Funktionen errechneten Faktoren mit sehr einfachen Mitteln
umsetzen. Durch Parallelschalten der drei mittleren Einzellautsprecher
mit einer Serienschaltung der Lautsprecher ganz oben und ganz unten
des Arrays 13e lassen sich diese Amplitudenverhältnisse
herstellen. Die Phase wird bei dem Einzellautsprecher, der einen
Gewichtungsfaktor „–1” in 2d hat,
einfach durch Verpolen des Anschlusses erreicht, wie es in 3 bei 15 dargestellt
ist.
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Ähnlich
zu 1c werden die vier Spalten des Tiefton-Arrays
in vier Gruppen von jeweils fünf Einzellautsprechern gruppiert,
wobei die Gruppen untereinander parallel geschaltet sind. Dadurch
ergibt sich für das Hochton-Array eine Nennimpedanz von
10 Ohm und für das Tiefton-Array eine Nennimpedanz von
56 Ohm. Es könnten auch alle Tiefton-Einzellautsprecher
parallel geschaltet werden, dann würde aber ein höherer
Strom durch die Schwingspulen fließen. Dies könnte
jedoch den Schwingspulendraht der Einzellautsprecher jedoch überlasten
und zerstörten.
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Wie
es in 3 dargestellt ist, wird bei dem Ausführungsbeispiel
eine Frequenzweiche 16 mit einer Grenzfrequenz 710 Hz bevorzugt.
Bei einer größeren Arrayfläche sollte
die Frequenzweiche eine kleinere Grenzfrequenz haben, und bei einer
kleineren Arrayfläche sollte die Frequenzweiche eine größere
Grenzfrequenz haben. Aufgrund der Frequenzweiche existieren ein
Hochtonweg 17a und ein Tieftonweg 17b oder allgemein
gesagt nur ein Tieftonweg und ein Weg mit voller Bandbreite statt
dem Hochtonweg, der keine Tieftonanteile hat, welche vorzugsweise
beide durch einen Entzerrer EQ 18a bzw. 18b entzerrt
werden, wobei die entzerrten Signale ferner vorzugsweise durch jeweils
einen Verstärker 19a bzw. 19b verstärkt
werden.
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Bei
dem in 2a gezeigten Lautsprecher gemäß dem
zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung
wird eben falls ein geschlossenes System verwendet. Das Gehäuse
basiert auf einer Berechnung unter Verwendung der sogenannten Thiele-Small-Parameter
der gehäuselosen Einzellautsprecher, wobei die Gesamtgüte
Qtc der Kombination aus Gehäuse
und Array bei 0,707 liegen soll. Diese Abstimmung wird auch als
Butterworth-Abstimmung bezeichnet und äußerst
sich in einem, bei idealem Free-Air-Frequenzgang, maximal glattem Frequenzgang
und minimal erreichbarer Resonanzfrequenz.
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2a zeigt
eine perspektivische Ansicht des Lautsprechers gemäß dem
zweiten Ausführungsbeispiel mit einer Gehäusevorderwand 1a und einer
Gehäuseseitenwand 1b, wobei der Lautsprecher in
einem reflexionsarmen Raum angeordnet ist. Die Gehäusevorderwand
umfasst eine Höhe und eine Breite, wobei die Höhe
größer als die Breite ist, und wobei es bevorzugt
wird, das Array bezüglich der Breite zentriert und kantenparallel
einzufügen, und das Array bezüglich der Höhe
nicht zentriert, sondern dezentral unterzubringen, wie es in 2b gezeigt ist. 2c zeigt
eine Rückansicht des geöffneten Lautsprechers,
wobei Stege 19a, 19b in vertikaler Richtung und
Stege 19c in horizontaler Richtung gezeigt sind. Diese
Stege, die vorzugsweise komplett von der Gehäusevorderseite
bis zur Gehäuserückseite durchgehend ausgebildet
sind, ermöglichen eine Kapselung von unterschiedlich angetriebenen Einzellautsprechern.
Druckänderungen im Inneren des Lautsprechers, hervorgerufen
durch Schwingungen einzelner Membranen würden sich ansonsten nämlich
auf alle auf das gleiche Volumen arbeitende Einzellautsprecher auswirken.
Um dies zu vermeiden, arbeiten die Einzellautsprecher der mittleren
Array-Spalte jeweils auf ein einzeln abgegrenztes Volumen, das durch
die Stege 19a, 19b, 19c erreicht wird. Da
diese Einzellautsprecher für den Hochtonzweig verwendet
werden, diese also weit oberhalb ihrer Resonanzfrequenz arbeiten
sollen, ist eine aufwendige Dimensionierung des entstehenden Volumens
nicht nötig. Das an jeden Hochton-Einzellautsprecher angekoppelte
Volumen beträgt 0,0361 l. Die Abmessungen der Volumina
bestimmen sich aus den Abmessungen des Einzellautsprechers.
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Die
Streben 19a, 19b erreichen eine zusätzliche
Versteifung des Gehäuses und führen dazu, dass
das Volumen für das Tiefton-Array in zwei Kammern aufgeteilt
wird, wie es aus 2c oder auch aus 4a oder 4b ersichtlich
ist. Das Aufteilen des Gesamtvolumens in zwei Kammern für
die Teil-Arrays der Tiefton-Lautsprecher führt zu einer
effizienten Versteifung des Gehäuses und dazu, dass Biegeschwingungen
der Gehäusefront und/oder der Gehäuserückwand
und Moden im Gehäuse unterdrückt werden, um entsprechende
negative Einflüsse auf das Verhalten des Lautsprechers
zu reduzieren. Weitere Versteifungselemente, wie sie bei 21 in 4b oder 22 in 4a gezeigt
sind, werden eingefügt, um die Steifigkeit des verwendeten
Holzmaterials zu verbessern, die relativ gering ist. Durch Minimieren
der Abstände zwischen den Versteifungspunkten wird das
Mitschwingen der Gehäusewände wegen des hohen
Drucks im Inneren bei Betrieb des Lautsprechers verhindert. Vorzugsweise
sind Höhe und Breite des Gehäuses keine geradzahligen
Vielfachen, um die Ausbildung von gleichzeitigen Längs- und
Quermoden nicht zu begünstigen. Die Innentiefe beträgt
bei dem in 2a bzw. 2b gezeigten Ausführungsbeispiel
wieder 2,4 cm. Die Außenabmessungen des in 2a gezeigten
Ausführungsbeispiels betragen in der Breite 35,2 cm, in
der Höhe 46,2 cm und in der Tiefe 3,6 cm. Diese Außenmaße sind
auch in der schematischen Zeichnung in 4a zusammen
mit anderen bevorzugten Abmessungen dieses Ausführungsbeispiels
angegeben.
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Die
exzentrische Platzierung des Arrays auf der Front des Lautsprechers
wird bevorzugt. Der Schalldruck von Schallwellen, die sich von einer Schallquelle über
eine Lautsprecherfront ausbreiten, ändert sich, wenn diese
auf eine Kante treffen, weil sich die Energie der Welle auf ein
geändertes Volumen aufteilt. Im Falle einer Gehäusekante
beugt sich eine Schallwelle um das Gehäuse. Das Volumen,
in welches sich die Schallwelle ausbreitet und die Oberfläche
der Wellenfront werden größer. Der Schalldruck
auf dieser Oberfläche wird geringer. Durch die Druckänderung
entsteht an dieser Kante eine zweite Schallquelle mit entgegengesetzter
Phase. Der von dieser sekundären Schallquelle abgestrahlte
Schall überlagert sich mit dem, von der primären
Schallquelle abgestrahlten Schall. Je nach Laufzeitunterschied, der
durch die Entfernung zwischen beiden Schallquellen und zwischen
Lautsprecher und Hörposition beeinflusst wird, kommt es
im Frequenzgang des Lautsprechers abwechselnd zu konstruktiver und
destruktiver Interferenz. Wenn der dem Laufzeitunterschied äquivalente
Wegunterschied ganzzahligen Vielfachen einer Wellenlänge
entspricht, dann kommt es zu Minima bei den entsprechenden Frequenzen, bei
ganzzahligen Vielfachen der halben Wellenlänge kommt es
zu Überhöhungen. Wenn das Array zentral auf der
Schallwand platziert würde, käme es für
Beobachtungspunkte nahe der 0°-Achse durch gleiche Laufzeiten
bezüglich rechter und linker bzw. oberer und unterer Schallwandkante
zu einer Überlagerung der Interferenzerscheinungen. Folge
davon ist ein ortsabhängiger, teilweise von starken Einbrüchen und Überhöhungen
geprägter Frequenzgang. Um dies zu vermeiden, wird die
Position des Arrays auf der Frontplatte so ausgewählt,
dass die Entfernung vom zentralen Einzellautsprecher zur oberen,
unteren und den seitlichen Gehäusekanten möglichst
unterschiedlich und keine ganzzahligen Vielfachen voneinander sind.
Dadurch wird das unvorteilhafte Zusammenfallen von Interferenz-Effekten
verhindert.
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Die
Aufteilung des Gehäuses in zwei gleich große Kammern
durch Versteifungsstege bedingt, dass das Array horizontal zentriert
angeordnet wird. So beträgt der Abstand vom Zentrum des
Arrays zu den Seitenkanten jeweils 17,6 cm. Der Abstand des Mittelpunkts
des Arrays zur oberen Gehäusekante wird auf 14,1 cm festgelegt.
Der Abstand zur unteren Gehäusekante ergibt sich somit
zu 23,1 cm. Damit die bei dem Ausführungsbeispiel 6 mm
starken Leisten, mit denen die Hochtontreiber abgetrennt werden,
nicht die Luftkompression an den rückseitig offenen Membranen
behindern, werden nicht alle Einzellautsprecher des Arrays ohne
Zwischenraum angeordnet. Stattdessen wird zwischen den Einzellautsprechern der
mittleren Spalte des Arrays und den Einzellautsprechern der links
und rechts benachbarten Spalten ein Abstand von 6 mm vorgenommen, wie
es aus 4a ersichtlich ist.
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Es
wird bevorzugt, das Gehäuse zur Vermeidung von Gehäusemoden
mit Dämmwolle zu bedämpfen. Eine Dämmwolle
mit einer Dicke von 3 cm und einer Masse von 280 g/m2 kann
eingesetzt werden. Gehäusemoden soll durch Absorption im Dämmstoff
Energie entzogen werden, so dass sie sich nicht voll oder gar nicht
ausbilden können. Dieses Prinzip funktioniert nur bei hoher
Schallschnelle. Da an den Rändern von Gehäusen
bei Stehwellen stets Druckmaxima und Schnelle-Minima sind, wird daher
an den Rändern des Gehäuses auf einer Breite von
etwa 7 cm kein Dämmmaterial eingebracht, wie es schematisch
in 2c zu sehen ist.
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Nachfolgend
werden, Bezug nehmend auf die 5a–5d diverse
Messungen an dem in 2a bis 2d erläuterten
Lautsprecher gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel
erläutert.
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Die
Auftrennung der Audiosignale in einen Hochton-Zweig und in einen
Tiefton-Zweig durch die Frequenzweiche 16 wird mit Hilfe
von Linkwitz-Riley-Filtern vierter Ordnung für die Frequenzweiche vorgenommen.
Die Übertragungsfunktion der Frequenzweiche ist in 5b dargestellt.
Der Pegel des Hochton-Zweiges ist gegenüber dem Tiefton-Signal um
3 dB angehoben. Dem Lautsprecher ist ein 80 Hz Hochpass vorgeschaltet,
der in 3 nicht gezeigt ist.
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Das
mit dieser Filterung beaufschlagte Signal wird dem Array zugeführt. 5b zeigt
die Frequenzgänge von Hoch- und Tiefton-Weg auf der 0°-Achse.
Die akustische Summation beider Wege ergibt den in 5c gezeigten
nichtentzerrten Frequenzgang. Um sowohl die Linearität
des Frequenzgangs als auch die untere Frequenz näher an
die gestellten Anforderungen zu bringen, wird es bevorzugt, eine
Entzerrung unter Verwendung der Equalizer 18a, 18b vorzu nehmen.
Ein entzerrter Frequenzgang ist in 5d gezeigt,
bei dem eine wesentlich bessere Linearität ersichtlich
ist, und bei dem ferner ein wesentlich verbessertes Verhalten im
unteren Frequenzbereich und eine gesenkte untere Grenzfrequenz erhalten
worden ist. Damit sich die von beiden Wegen abgestrahlten Schallanteile
im Übernahmebereich möglichst optimal überlagern,
wird es bevorzugt, den Hochton-Weg um 0,17 ms zu verzögern. Der
Frequenzgang bei dem in 5d messtechnisch charakterisierten
Ausführungsbeispiel wird im Bereich von 100 Hz bis 20 kHz
linearisiert, so dass sich eine Welligkeit von +/–2 dB
erreichen lässt. Die Grenzfrequenz bei –6 dB beträgt
100 Hz. Bei 20 kHz ist der Schalldruckpegel ebenfalls um 6 dB abgefallen.
Die mittlere elektrische Empfindlichkeit des Lautsprechers beträgt
101 dB/1 W/1 m. Dieser Wert ist im Vergleich zu herkömmlichen
Hi-Fi-Lautsprechern hoch und ist auf die hohe Empfindlichkeit der
gehäuselosen Einzellautsprecher zurückzuführen. 2e zeigt
eine alternative Implementierung des Flachgehäuses mit
angesetzten Fasen, um mehr in die Nähe einer Gehäusefront ähnlich
eines Pyramidenstumpfes zur Abschwächung von Interferenz-Effekten
aufgrund von Beugungserscheinungen an den Kanten des Gehäuses
zu kommen. Damit kann ein besser linearer Frequenzgang erreicht
werden.
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Um
den von dem Lautsprecher abgegebenen Schalldruck bei niedrigeren
Frequenzen, also im Bereich von 100 Hz und darunter zu verbessern, kann
bei Ausführungsbeispielen der Erfindung das flache Gehäuse
als Bassreflexgehäuse ausgeführt sein, das nicht
vollkommen geschlossen ist, sondern eine oder mehrere Öffnungen
in der Schallwand hat, die auch als Kanäle in das Gehäuse
hinein verlängert werden können. Das Gehäuse
eines Bassreflexsystems ist bei verschlossener Einbauöffnung
für den Schallwandler ein Helmholtz-Resonator. Innerhalb des
Bassreflexkanals befindet sich eine Luftmasse, die im Resonanzfall
mit maximaler Amplitude schwingt. Der Resonator wird auf eine Resonanzfrequenz
unterhalb der Resonanzfrequenz des Schallwandlers abgestimmt und
trägt dann bei tiefen Frequenzen wesentlich zur Schallabstrahlung des
Lautsprechers bei. Eine korrekt abgestimmte Bassreflexkonstruktion
hat einen Impedanzverlauf mit zwei benachbarten Maxima. Der maximale
Schalldruck wird vom Bassreflexrohr bei dem Minimum fb zwischen den
beiden Impedanz-Maxima abgestrahlt. In Richtung höherer
und tieferer Frequenz nimmt der vom Bassreflexkanal abgestrahlte
Schalldruck ab. Das Ziel der Abstimmung eines Bassreflexsystems
ist die konstruktive Überlagerung von Schallanteilen, die von
Schallwandler und Bassreflexöffnung abgestrahlt werden.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird eine Bassreflexöffnung
an der unteren Seitenwand des Gehäuses, das beispielsweise
in 2b gezeigt ist, vorgesehen, wobei diese Kanalöffnung
rechteckig mit einer Breite von 5 cm ausgelegt wird. Die Länge
eines Reflexrohrs für eine Kammer ergibt sich dann beispielsweise
zu 3,3 cm. Ein darauf hin optimiertes Gehäuse hat eine
Abmessung in der Breite von 41,5 cm, in der Höhe von 66,2
cm und in der Tiefe von 2,4 cm, wobei sich diese Abmessungen auf
die Innenmaße beziehen. Die Öffnung des Bassreflexkanals
kann bei anderen Ausführungsbeispielen vergrößert
werden, und zwar insbesondere über die komplette Breite
einer Kammer von z. B. 17,2 cm vergrößert werden.
Entsprechend kann die Reflexrohrlänge vergrößert
werden, da die Länge mit zunehmender Öffnungsfläche
ebenfalls vergrößert werden muss, wenn die Abstimmfrequenz
beibehalten werden soll.
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Bei
einer anderen Implementierung kann die Reflexöffnung auch
an der oberen Schmalseite des Gehäuses angeordnet werden.
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Insbesondere
ein geschlossener Lautsprecher mit einer flächigen Anordnung
von 25 Miniaturlautsprechern als Schallwandler wird bevorzugt, wobei
die Anzahl der Schallwandler je nach Einsatz auch zwischen 9 und
49 liegen kann. Eine quadratische Form der Anordnung der Schallwandler
wird bevorzugt, wobei das Flächen-Array aufgeteilt in getrennte
Teilarrays der den kritischen Tiefton-Bereich liefernden Einzellautsprecher
vorzugsweise in abgetrennten Volumina arbeiten soll. Vorzugsweise
wird eine symmetrische 2-Wege-Anordnung eingesetzt, wobei die Einzellautsprecher
des weiteren Arrays zwischen den beiden Teil-Arrays, welche als
Hochtöner arbeiten, nach Koeffizienten von Bessel-Funktionen
gewichtet sind. Das Anregungs-Signal des Systems wird mit einem
Lautsprecher-Controller entzerrt sowie aktiv getrennt und mittels
zwei Endstufen verstärkt. Damit werden HiFi-übliche
Werte sowohl für den maximal erreichbaren Schalldruckpegel
als auch für die Welligkeit des Frequenzgangs und den Klirrfaktor
erreicht. Der Lautsprecher zeichnet sich durch ein kontinuierliches,
nicht übermäßig bündelndes Richtverhalten
ohne Seitenkeulen aus.
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Lautsprecher
gemäß der vorliegenden Erfindung sind sowohl in
klassischen Stereo- oder Multikanal-Setups, vorzugsweise mit einem
Subwoofer für den untersten Frequenzbereich einsetzbar.
Das Array-Konzept führt zu einer hohen Skalierbarkeit des Systems.
So kann damit bei Lautsprecher-Panels für Wellenfeldsynthese
der Abstand benachbarter Wiedergabekanäle durch den geringen
Durchmesser der Einzellautsprecher minimiert werden. Durch die Möglichkeit,
einzelne gehäuselose Einzellautsprecher und somit bestimmte
Bereiche eines Arrays diskret anzusteuern, sind auch zeitlich modifizierbare
Ansteuerungen verwendbar. Die Bündelungswirkung des Lautsprechers
in der Vertikalebene oberhalb von 10 kHz kann durch eine geänderte
Array-Ansteuerung noch verringert werden, wenn oberhalb von 10 kHz
nur noch ein einzelner Lautsprecher betrieben wird. Entsprechend
der Richtwirkung des einzelnen Lautsprechers kann der vertikale
Abstrahlwinkel oberhalb von 10 kHz mit einem solchen 3-Wege-System
vergrößert werden. Die Schalldrucküberhöhung im
Frequenzgang des in den Ausführungsbeispielen verwendeten
Miniaturtreibers wird vorzugsweise eliminiert, damit keine Entzerrung
mehr nötig ist.
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Bei
nicht Echtzeit-kritischem Einsatz des Lautsprechers wird es bevorzugt,
zur Entzerrung einen linearphasigen Filtersatz zu verwenden. Damit kann
die Gruppenlaufzeit des Systems aus Lautsprecher und Controller
positiv beeinflusst werden.
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Um
den Lautsprecher bei tieferen Frequenzen zu verbessern, wird es
bevorzugt, nicht die Array-Fläche zu vergrößern,
sondern den abgestrahlten Schalldruck durch die Vergrößerung
des Membranhubs zu erhöhen. Bei einer Verdoppelung des Membranhubs
verdoppelt sich idealerweise auch der abgestrahlte Schalldruck.
Hierzu muss jedoch die Mechanik des Schallwandlers für
größeren Hub ausgelegt werden. Die Kraft, die
vom Antrieb eines elektrodynamischen Schallwandlers erzeugt wird,
wird vom Produkt aus der magnetischen Flussdichte B des Magneten,
der Länge l des Spulendrahtes und dem fließenden
Strom I in der Spule bestimmt.
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Vorzugsweise
wird der erfindungsgemäße Lautsprecher als aktiver
Lautsprecher mit interner Signalverarbeitung auf einem DSP implementiert,
da eine (z. B. aktive) Frequenzweiche und eine Entzerrung sowie
eine mehrkanalige Verstärkung eingesetzt werden und in
das Lautsprechergehäuse integriert werden können.
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Der
erfindungsgemäße Lautsprecher zeichnet sich durch
eine außergewöhnlich geringe Gehäusetiefe,
durch eine kostengünstige Herstellbarkeit und durch überzeugende
Werte sowohl auf messtechnischer Seite als auch auf subjektiver
Ebene aus.
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7a zeigt
einen Lautsprecher, bei dem ein weiteres Array von Einzellautsprechern
vorzugsweise in der Mitte des Lautsprechers vorhanden ist, bei dem
einer oder mehrere Einzellautsprecher bezüglich der Einzellautsprecher
des Flächenarrays verkippt angeordnet sind, so dass sich
eine Flächennormale auf eine aktive Fläche eines
Einzellautsprechers des weiteren Arrays von einer Flächennormale auf
eine aktive Fläche eines Einzellautsprechers des Flächenarrays
unterscheidet. Die Verkippung kann beispielsweise 30 Grad bezüglich
der Normalen betragen und liegt vorzugsweise zwi schen 10° und
70°. Dann kann ein Hörer eine Ausrichtung der
Lautsprecher auf sich haben, selbst wenn der Flachlautsprecher and
der Wand montiert ist und nicht gedreht werden kann. Für
die näherungsweise Rundstrahlcharakteristik des Tieftonarrays
ist dagegen eine Ausrichtung nicht erforderlich.
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7b zeigt
einen Lautsprecher, bei dem ein weiteres Array von Einzellautsprechern
vorhanden ist, das in dem Gehäuse zurückgesetzt
ist, oder das vor der aktiven Fläche eine Wellenführungseinrichtung
aufweist. Vorzugsweise wird eine Zurücksetzung und eine
Waveguide-Struktur verwendet, um eine eben Oberfläche des
Lautsprechers zu haben. Außerdem ist die Zurücksetzung
der Hochtöner in der Mitte unkritisch, weil das nötige
Luftvolumen für die Hochtöner aufgrund der hohen
Frequenzen klein bzw. insgesamt unerheblich ist. Die Waveguide-Struktur
dient dazu, die inhärente Richtwirkung im beabsichtigten
Bereich zu vergleichmäßigen und sie wird eine
hornartige Form haben.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt
keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
- - Beer, D.:
Flachlautsprecher – ein Überblick, präsentiert
auf der DAGA08, März 2008, Dresden [0003]
- - H. Azima, J. Panzer, „Distributed-Mode Loudspeakers
(DML) in Small Enclosures”, presented at the 106th AES
Convention, Munich, Germany, May 1999 [0003]
- - Beer et al.: The air spring effect of flat Panel speakers,
presented at the 124th AES-Convention, May 2008, Amsterdam/The Netherlands [0003]
- - Wagner, Roland: Electrostatic Loudspeaker – Design
and Construction. Audio Amateure Press, Peterborough, New Hampshire,
1993 [0003]