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Die Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug umfassend wenigstens einen Versteifungsring umfassend mehrere Hohlelemente, die eine in sich geschlossene Struktur mit Torustopologie bilden, die mit einer Fahrzeuglängsachse einen Winkel von mindestens 60° einschließt, eine Audioeinrichtung zur Wiedergabe eines Audiosignals und mehrere Lautsprecher zur Ausgabe des von der Audioeinrichtung wiedergegebenen Audiosignals, wobei wenigstens einer der Lautsprecher ein Basslautsprecher umfassend eine Membran ist.
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Um eine angenehme Klangwiedergabe einer Audioeinrichtung in einem Kraftfahrzeug, insbesondere im Bassbereich, zu ermöglichen, sind neben Lautsprechern zur Ausgabe des Schalls auch ausreichend große Resonanzräume für diese Lautsprecher notwendig. Zur Ausgabe von Schall im Bassbereich werden in der Regel Lautsprecher mit großflächigen Membranen genutzt. Werden diese Lautsprecher ohne ein Gehäuse, also freistehend, aufgestellt, so addieren sich für einen Zuhörer die von der Vorderseite und der Rückseite der Membran ausgestrahlten Schallwellen. Diese Schallwellen sind um 180° phasenverschoben. Da die Abmessungen des Lautsprechers klein gegenüber der Wellenlänge einer Schallwelle im Bassbereich sind, führt dies zu einer nahezu vollständigen Auslöschung des Schalls im Bassbereich.
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Um dennoch eine druckvolle Basswiedergabe zu ermöglichen, werden üblicherweise zwei Ansätze genutzt. Zum einen kann der Lautsprecher in einem geschlossenen Gehäuse angeordnet werden. In diesem Fall grenzt eine der beiden Membranseiten an ein abgeschlossenes Volumen, wobei zwischen dem abgeschlossenen Volumen und der umgebenden Luft nur ein langsamer Luftaustausch erfolgt. Damit wird nur noch der Schall von einer Membranseite an die Umgebung abgegeben, wodurch die Auslöschung der beiden Schallwellen im Außenraum vermieden wird. Alternativ kann ein Gehäuse, in dem der Lautsprecher angeordnet ist, mit einer zusätzlichen Öffnung versehen sein. In diesem Fall kann das Lautsprechergehäuse als ein Helmholtz-Resonator ausgebildet sein, der eine sehr niedrige Resonanzfrequenz aufweist. Dieses hat zur Folge, dass der aus der zusätzlichen Öffnung austretende Schall eine Phasenverschiebung um 180° erfährt. Damit hat der aus der Öffnung austretende Schall insgesamt die gleiche Phase wie der Schall, der von der dem Gehäuse abgewendeten Seite der Membran abgegeben wird. Damit addieren sich die Schallwellen der beiden Membranseiten statt sich auszulöschen.
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In beiden oben genannten Fällen muss das Lautsprechergehäuse ein gewisses Mindestvolumen aufweisen. Ist das Gehäuse geschlossen, dient die im Lautsprechervolumen befindliche Luft als ein zusätzliches Federelement, das eine zusätzliche Rückstellkraft auf die ausgelenkte Membran ausübt. Ist das Volumen sehr klein, ergibt sich daraus eine sehr große Federkonstante und damit eine starke zusätzliche Rückstellkraft. Diese zusätzliche Rückstellkraft führt jedoch zu einer asymmetrischen Oszillation der Membran und damit zu zusätzlichen Verzerrungen. Wird das Gehäuse als Helmholtz-Resonator genutzt, ist es wünschenswert eine möglichst tiefe Resonanzfrequenz zu erreichen. Zum Erreichen einer tiefen Resonanzfrequenz bei Helmholtz-Resonatoren ist jedoch ebenfalls ein großes Volumen erforderlich.
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Moderne Kraftfahrzeuge weisen eine sehr hohe Baudichte auf. In einem Fahrzeug sind eine Vielzahl von Komponenten anzuordnen, dennoch soll ein möglichst großes freies Volumen für Fahrgäste, Gepäck und ähnliches freigehalten werden. Soll nun ein Lautsprecher mit einem großen Gehäusevolumen genutzt werden, so führt dies zu einer Verringerung des freien Volumens im Kraftfahrzeug. Daher ist es wünschenswert, freie Volumina in vorhandenen Baugruppen des Kraftfahrzeugs als Resonanzraum zu nutzen. So sind Ansätze bekannt, die Hohlräume in der A-Säule des Kraftfahrzeugs oder in den Schwellern des Kraftfahrzeugs als Resonanzvolumen zu nutzen. Die Basslautsprecher selbst weisen jedoch eine gewisse Mindestgröße auf. Daher ist es in der Regel nicht möglich diese Lautsprecher direkt in die A-Säule des Kraftfahrzeugs oder in die Schweller zu integrieren.
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Daher werden in der Regel Lautsprecher genutzt, die ein eigenes Resonanzvolumen aufweisen, wobei das eigene Resonanzvolumen eines Lautsprechers über ein luftleitendes Verbindungselement mit dem Resonanzvolumen in den Schwellern oder der A-Säule verbunden ist.
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Aus der Druckschrift
DE 10 2007 034 826 A1 ist eine Fahrzeugkarosserie bekannt, die im Bereich zwischen dem Fahrgastraum und dem Gepäckraum einen Querträger aufweist. Der Querträger kann als Vormontageeinheit ausgeführt werden, die weitere Komponenten aufnehmen kann, beispielsweise Lautsprecher, Gurtaufroller, Trennwandverkleidungen oder Steuergeräte.
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Die Druckschrift
DE 199 09 143 A1 offenbart eine Bassbox einer Soundanlage eines Kraftfahrzeugs. Die Bassbox ist in einem hohlen Träger des Fahrzeugs ausgebildet, der sich im Bodenbereich des Fahrzeugs erstreckt. Der Träger wird durch einen im Einstiegsbereich des Fahrzeugs angeordneten Längsträger oder durch einen Seiten- oder Türschweller des Fahrzeugs gebildet.
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Ein Lautsprechersystem für ein Fahrzeug ist aus der Druckschrift
DE 10 2008 045 920 A1 bekannt. Der Lautsprecher ist an und/oder in einer Sitzanlage angeordnet. Ein Resonanzraum des Lautsprechers ist wenigstens teilweise durch einen Hohlraum eines Rahmens der Sitzanlage gebildet.
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Ein Kraftfahrzeug mit einer Lautsprecherbox einer Soundanlage wird durch die Druckschrift
DE 10 2009 041 552 A1 offenbart. Ein Schallwandler erzeugt Schall, der in den Innenraum des Kraftfahrzeugs abgestrahlt wird. Der Schallwandler ist auf seiner Rückseite akustisch an einen Resonanzraum gekoppelt, der durch einen Hohlraum in einer Tragstruktur des Kraftfahrzeugs gebildet ist, die die Form einer Sicherheitszelle aufweist.
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Es ist damit Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Kraftfahrzeug anzugeben, bei dem eine gute Basswiedergabe bei einer gleichzeitigen verbesserten Volumennutzung möglich ist.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass bei einem Kraftfahrzeug der eingangs genannten Art ein Resonanzvolumen das an die Membran angrenzt durch mindestens einen Holraum des Versteifungsrings gebildet ist, wobei der Versteifungsring vier im Wesentlichen gerade Hohlelemente umfasst, die eine viereckige Struktur bilden und zwei der Hohlelemente mit einer Fahrzeugquerachse einen Winkel von maximal 30° einschließen und das Resonanzvolumen durch einen Hohlraum des unteren der zwei Hohlelemente gebildet ist, und/oder wobei das Resonanzvolumen durch einen Hohlraum gebildet ist, der sich durch den gesamten Versteifungsring erstreckt.
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Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, dass nahezu alle modernen Kraftfahrzeuge, insbesondere Cabrios, Versteifungsringe aufweisen, die meist durch im Wesentlichen rechteckförmig angeordnete Hohlelemente gebildet sind. Die Nutzung von Hohlelementen zur Versteifung des Kraftfahrzeugs ermöglicht eine hohe Verwindungssteife bei gleichzeitigem niedrigen Gewicht der Karosserie. Eine hohe Verwindungssteife verbessert die Fahreigenschaften des Kraftfahrzeugs und verhindert unangenehme Fahrgeräusche. Auch ist bei Nutzung einer verwindungssteifen Karosserie eine wesentlich geringere Spaltbreite von beweglichen Karosserieelementen möglich. Die Innenräume dieser Hohlelemente, die den Versteifungsring bilden, werden bisher in der Regel nicht genutzt. Damit steht im Inneren dieser Hohlräume ein ungenutztes Volumen zur Verfügung, das als Resonanzvolumen für einen oder mehrere Basslautsprecher genutzt werden kann.
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Eine Anordnung von Lautsprechern an einem Torsionsring ist häufig besonders einfach möglich. Hier ist es vorteilhaft, wenn zumindest eines der Hohlelemente, die den Versteifungsring bilden, eine ausreichend große Abmessung hat, so dass es möglich ist, Lautsprecher in diesem beziehungsweise an diesem anzuordnen ohne die Stabilität des Hohlelements zu beeinträchtigen. Im einfachsten Fall können in eines der Hohlelemente Öffnungen geschnitten werden, die einen ausreichenden Durchmesser haben, um den Korb des Lautsprechers am Gehäuse des Hohlelements in dieser Öffnung zu befestigen. Der Permanentmagnet sowie die weiteren Komponenten des Lautsprechers befinden sich damit im Inneren des Volumens des Hohlelements. Für die Verkabelung des Lautsprechers können weitere Bohrungen am Hohlelement erfolgen. In diesem Fall ist eine Seite der Membran des Lautsprechers im direkten Kontakt mit der Umgebungsluft. Die andere Seite der Membran koppelt an den Hohlraum im Inneren des Hohlelements.
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Die Hohlelemente, die den Versteifungsring bilden bestehen typischerweise aus gefaltetem Blech und sind beispielsweise durch Nieten oder Punktschweißen mit der Karosserie und den weiteren Hohlelementen, die den Versteifungsring bilden, verbunden. Damit erfolgt zwischen dem Hohlraum im Hohlelement und der Umgebungsluft nur ein langsamer und häufig stark diffuser beziehungsweise verwirbelter Luftaustausch. Für Schall stellt dieser Hohlraum also ein im Wesentlichen abgeschlossenes Volumen dar. Das Hohlelement beziehungsweise die Hohlelemente des Versteifungsrings bilden damit das Gehäuse des Lautsprechers. Es kann vorteilhaft sein, zur Verbesserung der Wiedergabe weitere Dichtmaßnahmen am Versteifungsring durchzuführen. So können Teile des Versteifungsrings teiloffen sein und diese Bereiche können so modifiziert werden, dass sie im Wesentlichen luftdicht sind. Es ist auch möglich, die Verbindungsbereiche, an denen die Versteifungsringe untereinander beziehungsweise mit der Karosserie verbunden sind, mit einem Dichtmaterial zu versehen.
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Sind die Lautsprecher in das Hohlelement, das als Gehäuse dient, integriert, ist also eine Seite der Membran in direktem Kontakt mit der Umgebungsluft, die andere Seite der Membran ist mit einem im Wesentlichen geschlossenen Volumen verbunden. Es wird also der gleiche Effekt für die Schallwiedergabe erzielt, wie bei Nutzung eines geschlossenen Lautsprechergehäuses. Da sich die Hohlelemente des Versteifungsrings über große Teile der Breite beziehungsweise Höhe des Kraftfahrzeugs erstrecken, kann damit ein großes Volumen genutzt werden. Daher sind Effekte durch Luft als zusätzliche Feder sehr gering. Um stehende Wellen im Gehäuse oder Schwingungen des Gehäuses zu vermeiden kann es auch vorteilhaft sein, in dem Hohlelement zusätzliches Dämmmaterial anzubringen. Dies ist in der Regel sehr leicht. Damit können ohne großen zusätzlichen Materialaufwand Verbesserungen der Wiedergabe der Lautsprecher des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs erreicht werden. Ist ein größeres Resonanzvolumen notwendig oder wünschenswert, als es ein einzelnes der Hohlelemente des Versteifungsrings umfasst, ist auch eine Kopplung von mehreren Hohlelementen als Resonanzvolumen möglich. Auch diese ist ohne großen zusätzlichen konstruktiven oder Materialaufwand möglich, indem an entsprechenden Stellen in die Hohlelemente Löcher geschnitten werden.
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Wie bereits erwähnt ist die Baudichte in modernen Kraftfahrzeugen häufig sehr hoch. Dies schränkt häufig die möglichen Orte ein, an denen Bassboxen so angeordnet werden können, dass sie einen guten Klang ermöglichen und dennoch nicht stören. Häufig werden Bassboxen daher im hintern Bereich des Kraftfahrzeugs angeordnet. Eine solche Anordnung der Bassboxen im hinteren Bereich des Kraftfahrzeugs ist auch bei einem erfindungsgemäßen Kraftfahrzeug möglich. So kann der Versteifungsring in der hinteren Hälfte des Fahrzeugs angeordnet sein.
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Insbesondere ist es möglich, dass zumindest ein Teil des Versteifungsrings an einer Längsposition des Kraftfahrzeugs angeordnet ist, an der ein Karosserieausschnitt für ein Rad vorhanden ist. Kräfte die im Fahrbetrieb auf das Kraftfahrzeug wirken, werden hauptsächlich über die Räder übertragen. Daher sind die Bereiche der Räder für eine steife Karosserie besonders bedeutsam. In vielen Kraftfahrzeugen wird diese Versteifung durch den Boden des Kraftfahrzeugs, die A- beziehungsweise C-Säule und das Dach gebildet. Der Versteifungseffekt kann durch das Anordnen zusätzlicher Hohlelemente an der Karosserie verbessert werden. Insbesondere bei einem Cabrio ist jedoch eine zusätzliche Versteifung notwendig. Bei einem Cabrio kann das Dach nicht als Versteifungselement dienen, da es nicht immer vorhanden ist. Daher wird bei Cabrios üblicherweise im Bereich des hinteren Rads ein zusätzlicher Versteifungsring genutzt. Hohlräume dieses Versteifungsrings können besonders vorteilhaft als Resonanzvolumen für den mindestens einen Basslautsprecher genutzt werden. Während im Bereich der weiteren potentiell vorhandenen Versteifungsringe häufig bereits eine Vielzahl von Komponenten angeordnet sind, befindet sich der Versteifungsring im Bereich des Radkasten, das heißt meist zwischen Rückbank und Kofferraum. Die dort angeordneten Elemente stören also weder im Fahrzeuginnenraum, noch befinden sie sich im Vorderbereich des Kraftfahrzeugs, in dem in den meisten Kraftfahrzeugen eine Vielzahl von weiteren Komponenten angeordnet ist.
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Es ist möglich, dass der Versteifungsring vier im Wesentlichen gerade Hohlelemente umfasst, die eine viereckige Struktur bilden, wobei insbesondere alle Raumwinkel zwischen aneinander angrenzenden Hohlelementen im Intervall zwischen 60° und 120° liegen. Wesentlicher Nutzen des Versteifungsrings ist eine Torsion, also eine Verdrehung der Karosserie in sich zu verhindern. Kräfte, die zu einer solchen Torsion führen können, treten beispielsweise in Kurven auf, in denen die Trägheit als Kraft auf die Karosserie wirkt und sie nach außen drückt, während die Reifen dem Straßenverlauf folgen sollen und damit eine Kraft zum Kurvenmittelpunkt hin auswirken. Ist eine Karosserie nicht ausreichend steif, so wird der obere, von den Rädern entfernte Teil der Karosserie, zur Außenseite der Kurve geschoben, während der untere Teil des Kraftfahrzeugs der Kurve folgt. Um diesen Kräften optimal entgegenwirken zu können ist der Versteifungsring häufig nicht ringförmig ausgebildet, sondern besteht aus einer im Wesentlichen rechteckigen Struktur.
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Um den Torsionskräften optimal widerstehen zu können ist es auch vorteilhaft, wenn zwei der Hohlelemente mit einer Fahrzeugquerachse ein Winkel von maximal 30° einschließen. Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn der Versteifungsring im Wesentlichen parallel zu der Fahrzeugquerachse angeordnet ist, damit führt der Versteifungsring zu einer maximalen Versteifung gegenüber seitlich auf die Karosserie einwirkenden Kräften.
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Ein wesentlicher Vorteil bei der Anordnung von Bassboxen ist es, dass für Schallwellen im Bassbereich eine Ortung der Schallquelle kaum möglich ist. Dies ist auf die großen Wellenlängen der Schallwellen im Bassbereich zurückzuführen. Beispielsweise ist die Wellenlänge einer Schallwelle mit einer Frequenz von 50 Hz etwas weniger als 7 Meter. Bassboxen können also an einer Position angeordnet werden, die konstruktionsbedingt besonders günstig ist. Bassboxen weisen in der Regel große Magneten und Membranen auf. Damit sind die Boxen sowohl groß als auch schwer. Es ist daher besonders vorteilhaft, wenn das Resonanzvolumen durch einen Hohlraum des unteren der zwei Hohlelemente, die im Wesentlichen in Fahrzeugquerrichtung verlaufen, gebildet ist. In diesem Fall können die Bassboxen besonders leicht am Hohlelement angeordnet werden, da sich das Hohlelement in der Nähe des Fahrzeugbodens befindet. Damit ist beispielsweise eine zusätzliche Abstützung der Lautsprecher am Fahrzeugboden möglich. Zudem erfolgt die Verkabelung des Kraftfahrzeugs häufig in der Nähe des Fahrzeugbodens. Daher ist in diesem Fall auch eine besonders leichte Verkabelung des oder der Basslautsprecher möglicht. Häufig hat zudem das untere der Hohlelemente ein größeres Volumen als die weiteren Hohlelemente des Versteifungsrings. Wie bereits erläutert ist es vorteilhaft, wenn das Resonanzvolumen einer Bassbox groß ist.
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Aus eben diesem Grund ist es aber auch möglich, dass das Resonanzvolumen durch einen Hohlraum gebildet ist, der sich durch den gesamten Versteifungsring erstreckt. Die einzelnen Hohlelemente des Versteifungsrings können dadurch gekoppelt werden, dass sich in den Hohlelementen an Stellen, die nach dem Zusammenbau des Versteifungsrings aneinander anliegen, Löcher befinden. Diese Löcher können bereits bei der Herstellung in die Bleche für die Hohlelemente eingestanzt werden, sie können aber auch später aus den Hohlelementen ausgeschnitten werden. Auch ein Einbringen der Öffnungen nach Zusammenbau des Versteifungsrings oder dem Einbauen in das Kraftfahrzeug ist möglich.
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Es ist möglich, dass der Korb des Lautsprechers so an dem Torsionsring befestigt ist, dass der Magnet des Lautsprechers sich innerhalb eines der Hohlelemente des Versteifungsrings befindet. In diesem Fall ist eine besonders platzsparende Anordnung des Lautsprechers möglich. Weder der Lautsprecher selbst noch sein Resonanzvolumen erhöhen in diesem Fall den Volumenverbrauch im Kraftfahrzeug und es wird bei einem Kraftfahrzeug mit ansonsten identischen Aufbau nach Einbau der Audioeinrichtung und der zugeordneten Lautsprecher durch diese Anordnung ein insgesamt größeres freies Volumen erreicht.
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Es ist möglich, dass der Magnet des Lautsprechers in Fahrtrichtung des Kraftfahrzeugs zumindest teilweise vor der Membran des Lautsprechers liegt. In diesem Fall ist der direkt mit der Umgebungsluft gekoppelte Teil der Membran zumindest teilweise in Fahrtrichtung rückwärts gerichtet. Wie bereits erwähnt weisen Schallwellen im Bassbereich eine sehr große Wellenlänge auf. Daher ist die Abstrahlrichtung des Basslautsprechers kaum wesentlich. Ein zumindest teilweise rückwärts gewandtes Abstrahlen des Basslautsprechers ist hingegen insofern vorteilhaft, dass bei einem Vorwärtsstrahlen des Basslautsprechers Teile der Innenraumausstattung des Kraftfahrzeugs die Schallwellenausbreitung behindern können. Bei einer zumindest teilweise rückwärtsgewandten Schallabstrahlung des Basslautsprechers ist jedoch häufig ein problemloser Schallaustritt im Bereich der Hutablage beziehungsweise des Verdecks eines Cabrios möglich. Damit kann unter Umständen bei einer Rückwärtsabstrahlung des Schalls eine bessere Schallabstrahlung in den Innenraum des Kraftfahrzeugs erreicht werden, auch dann, wenn der Basslautsprecher im hinteren Bereich des Kraftfahrzeugs angeordnet ist.
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Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug kann auch ein Cabrio sein. Die Nutzung von Hohlräumen in einem Versteifungsring als Resonanzvolumen für einen Basslautsprecher ist in Cabrios besonders vorteilhaft, da Cabrios in der Regel zusätzliche Versteifungselemente aufweisen, um trotz des Fehlens eines Daches eine große Steifheit der Karosserie zu erreichen. So ist bei nahezu allen Cabrios im Heckbereich ein zusätzlicher Torsionsring angeordnet. Zusätzlich handelt es sich bei Cabrios um Livestylefahrzeuge. Damit ist bei Cabrios eine gute Audiowiedergabe besonders wichtig. Zugleich ist in Cabrios jedoch der Bauraum im Kraftfahrzeug üblicherweise noch beschränkter als in vergleichbar großen Kraftfahrzeugen mit Dach, da aufgrund des fehlenden Dachs zusätzliche Versteifungselemente notwendig sind. Die erfindungsgemäße Nutzung eines Resonanzvolumens in einem Hohlraum eines Versteifungsrings ermöglicht jedoch auch bei dem beengten Bauraum in einem Cabrio eine kraftvolle Basswiedergabe.
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Wie eingangs erwähnt, wird bei der üblichen Boxenbauform ein geschlossenes Gehäuse verwendet. In diesem Fall werden nur die Schallwellen einer Membranseite an die Umgebungsluft abgegeben. Ein solches Verhalten kann erreicht werden, wenn das Resonanzvolumen so luftdicht abgeschlossen ist, dass ein Druckausgleich mit der Umgebung nur über mindestens zwei Schwingungsperioden der niedrigsten über den Lautsprecher auszugebenden Frequenz erfolgt. Abhängig von der Art der Befestigung der das Hohlelement bildenden Bleche ist es möglich, dass, allein aufgrund der Vernietungen oder der Verschweißungen der Bleche, der Hohlraum in dem Hohlelement des Versteifungsrings ausreichend luftdicht ist, so dass das Verhalten eines geschlossenen Gehäuses erreicht werden kann.
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Häufig wird jedoch beim Design einer Karosserie, bei dem zunächst auf eine Optimierung der Karosseriesteifigkeit bei möglichst geringem Gewicht geachtet wird, ein Versteifungsring entwickelt, bei dem die einzelnen Hohlelemente des Versteifungsrings nicht luftdicht abgeschlossen sind. In diesem Fall können zusätzliche Elemente vorgesehen werden, um eine bessere Dichtigkeit der Hohlräume im Versteifungsring zu erreichen. Da diese Elemente keine versteifende Wirkung haben müssen, können hier leichtere Materialien genutzt werden. Auch ohne eine vollständige Abdichtung des als Resonanzvolumen genutzten Hohlraums kann eine Ähnliches Verhalten wie bei einem geschlossenen Lautsprecher erreicht werden. So ist es beispielsweise möglich, dass es eine Vielzahl von Kontaktstellen zwischen dem Hohlraum und der umgebenden Luft gibt, wobei die Phase des Schallsignals an diesen Kontaktstellen deutlich unterschiedlich ist. In diesem Fall löschen sich die Schallwellen, die an den verschiedenen Öffnungen austreten im Wesentlichen aus. Damit wird auch hier ausschließlich der Schall einer Membranseite an die Umgebungsluft abgegeben.
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Eine Alternative zur Abdichtung des Resonanzvolumens ist es, dass das Resonanzvolumen eine Verbindung zum Passagierraum des Kraftfahrzeugs aufweist, wobei die Verbindung einen nahezu vollständigen Druckausgleich zwischen dem Resonanzvolumen und der Umgebung innerhalb einer Schwingungsperiode der niedrigsten über den Lautsprecher auszugebenden Frequenz ermöglicht, und wobei die Fläche der Öffnung kleiner als 10% der Oberfläche des Resonanzvolumens ist.
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Dabei kann das Resonanzvolumen insbesondere als Helmholtz-Resonator ausgebildet sein, wobei insbesondere die Resonanzfrequenz des Helmholtz-Resonators kleiner der niedrigsten über den Lautsprecher auszugebenden Frequenz ist. Ein Helmholtz-Resonator besteht aus einem Luftvolumen das über einen kurzen offenen Hals mit der Außenluft verbunden ist. Durch die Elastizität des Luftvolumens verhält sich ein solcher Helmholtz-Resonator wie ein Masse-Feder-System. Damit weist der Helmholtz-Resonator auch eine Resonanzfrequenz auf. Wie bei anderen Schwingungen auch weist die Phase des vom Resonator ausgegebenen Signals gegenüber der Phase des den Resonator treibenden Signals, also hier die Schwingung der zweiten Membranseite, die mit dem Luftvolumen im Hohlraum in Kontakt ist, eine frequenzabhängige Phasenverschiebung auf. An der Resonanzfrequenz ist diese Phasenverschiebung genau 90°, bei einer Anregung oberhalb dieser Resonanzfrequenz nähert sich diese Phasenverschiebung 180°. Wird nun in den Hohlraum gezielt eine Öffnung eingebracht um einen Helmholtz-Resonator zu erzeugen, der eine Resonanzfrequenz aufweist, die deutlich unterhalb der niedrigsten abzugebenden Frequenz liegt, so oszilliert die Luft innerhalb dieses Helmholtz-Resonators mit einer Phasenverschiebung von ca. 180° gegenüber der Phase der dem Hohlraum zugewanden Seite der Membran des Lautsprechers. Dies bedeutet jedoch auch, dass die Luft im Inneren des Hohlraums mit einer Phase oszilliert, die der Phase der der Umgebungsluft zugewandten Membranseite entspricht. Die an der zusätzlichen Öffnung austretende Schallwelle hat also die gleiche Phase wie die von der der Umgebungsluft zugewandten Seite der Membran abgegebene Schallwelle. Damit addieren sich diese Schallwellen und löschen sich nicht, wie beim freistehenden Lautsprecher, aus. Insgesamt wird also eine wesentliche Erhöhung der Effizienz des Lautsprechers erreicht.
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Wie bereits erläutert sind die Quellen tieffrequenter Signale kaum zu orten. Daher kann die Position von Bassboxen frei gewählt werden, wenn verhindert wird, dass höher frequente Signale durch die Bassboxen abgegeben werden. Solche Signale wären zu orten und würden daher zu einer Verschiebung der Schallwahrnehmung im Raum führen, die vom Hörer als unangenehme wahrgenommen werden kann. Daher ist es vorteilhaft, wenn im Übertragungsweg des Audiosignals zwischen Audioeinrichtung und Basslautsprecher eine Filtereinrichtung angeordnet ist, die das Spektrum des Audiosignals mit einem frequenzabhängigen Faktor gewichtet, wobei tiefere Frequenzen stärker gewichtet werden, wobei die Filtereinrichtung insbesondere zur Dämpfung der Signalanteile mit Frequenzen größer 200 Hz, im speziellen größer 50 Hz, ausgebildet ist.
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Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den folgenden Ausführungsbeispielen und Zeichnungen. Dabei zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs,
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2 einen Schnitt durch das in 1 gezeigte Kraftfahrzeug,
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3 eine Detailansicht des in 1 gezeigten Kraftfahrzeugs, und
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4 eine geschnittene Ansicht eines Versteifungsrings eines weiteren Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs.
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1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Kraftfahrzeugs. Das Kraftfahrzeug 1 weist eine Audioeinrichtung 2 auf, die durch einen Insassen des Kraftfahrzeugs durch ein Bedienelement 6 bedient werden kann. Die Audioeinrichtung 2 ist mit zwei Lautsprechern 3, 4 verbunden, wobei Lautsprecher 4 ein Basslautsprecher ist. Zwischen der Audioeinrichtung 2 und den Lautsprechern 3, 4 ist eine Filtereinrichtung 5 angeordnet. Diese Filtereinrichtung führt Schallsignale mit einer Frequenz von mehr als 50 Hz Lautsprecher 3 im Innenraum zu. Tieffrequente Audiosignale mit einer Frequenz von weniger als 50 Hz werden durch die Filtereinrichtung 5 an den Lautsprecher 4 weitergeleitet. In vielen Kraftfahrzeugen wird die Filtereinrichtung 5 das Audiosignal in mehr als zwei Bänder aufteilen und zumindest für die mittel- und hochfrequenten Audiosignale mehrere Lautsprecher 3 zur Ausgabe des Audiosignals nutzen, um Raumeffekte zu erreichen. Zur besseren Übersichtlichkeit sind hier jedoch nur ein Lautsprecher 3 für den Mittel- und Hochtonbereich und ein Lautsprecher 4 für den Tieftonbereich gezeigt.
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Im hinteren Bereich des Kraftfahrzeugs 1, im Bereich des Rades 11, ist ein Versteifungsring 7 angeordnet. Bei einem Cabrio ist es notwendig, eine Verwindungssteifheit, die normalerweise durch die Säulen des Fahrzeugs und das Dach erreicht wird, anderweitig zu erreichen. Daher werden im Bereich des Hinterrades häufig Versteifungsringe angeordnet. Auch das Kraftfahrzeug 1, das ein Cabrio ist, weist den Versteifungsring 7 auf. Der Versteifungsring 7 besteht aus vier im Wesentlichen geraden Hohlelementen 8, 9, 10, wobei das linke Hohlelement hier nicht gezeigt ist. Das untere Hohlelement 8 und das obere Hohlelement 9 verlaufen im Wesentlichen parallel zur Fahrzeugquerachse. Das rechte Hohlelement 10 sowie das nicht gezeigte linke Hohlelement laufen im Wesentlichen parallel zur Fahrzeughochachse. Die einzelnen Hohlelemente 8, 9, 10 sind hier durch gefaltete Bleche gebildet. Die unterste Seitenfläche des unteren Hohlelements 8 wird durch das Bodenblech des Fahrzeugs gebildet. Das untere Hohlelement 8 weist kleine Öffnungen 27 für die Lautsprecherkabel 21 auf, sowie eine runde Öffnung mit einem Radius, der ungefähr dem Radius des Korbs des Lautsprechers entspricht, in die der Lautsprecher 4 derart eingesetzt ist, dass eine seiner Membranen sich mit der Luft des Hohlraums 12 im Kontakt befindet und die andere der Membrane mit der Umgebungsluft. Der Hohlraum 12 des unteren Hohlelements 8 bildet hier also ein geschlossenes Gehäuse für den Lautsprecher 4. Dies wird im Folgenden mit Bezug auf 3 noch genauer erläutert.
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2 zeigt eine entlang der Fahrzeugquerachse geschnittene Ansicht des in 1 gezeigten Kraftfahrzeugs. Hier ist zu erkennen, dass der Versteifungsring 7 eine im Wesentlichen rechteckige Form mit Torustopologie, das heißt mit einem Loch in der Mitte, aufweist. Der Versteifungsring 7 ist aus den vier Hohlelementen 8, 9, 10, 13 gebildet. Das linke und rechte Hohlelement 13, 10 sind direkt seitlich am Karosserieblech 14 angeordnet. Zwischen dem linken und rechten Hohlelement 13, 10 ist das untere Hohlelement 8 angeordnet. Die Hohlelemente 8, 10 und 13 bilden also bereits eine Versteifung im unteren Bereich des Kraftfahrzeugs, die einen durch gefaltetes Blech gebildeten Hohlraum der sich vom linken bis zum rechten Rand des Kraftfahrzeugs erstreckt, bildet. Insbesondere bei Cabrios ist hier auch eine zusätzliche Versteifung im oberen Fahrzeugbereich notwendig, da hier keine Versteifung durch ein Dach erfolgen kann. Daher ist der Versteifungsring 7 durch ein oberes Hohlelement 9 abgeschlossen. Der obere Bereich des Versteifungsrings 7 kann zudem auch mit zusätzlichen Elementen, typischerweise Blechhohlelemente, die hier nicht gezeigt sind, mit den oberen Bereichen des Karosserieblechs 14 sowie mit weiteren Teilen des Kraftfahrzeugs verbunden werden. In 2 ist auch zu erkennen, dass hier zwei Lautsprecher 4 im unteren Hohlelement angeordnet sind. Diese Anordnung der Lautsprecher ist besonders vorteilhaft, da das untere Hohlelement ein etwas größeres Volumen bildet. Wie in 1 zu erkennen ist, ist es insbesondere in Fahrzeuglängsrichtung tiefer. Auch die Verdrahtung der Lautsprecher ist bei einer Anordnung im unteren Hohlelement besonders einfach. Zuletzt sind Basslautsprecher auch häufig schwer, da sehr große Permanentmagneten genutzt werden. Auch daher ist eine Anordnung im unteren Hohlelement 8 besonders vorteilhaft.
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3 zeigt eine Detailansicht des Versteifungsrings des in 1 und 2 gezeigten Kraftfahrzeugs. Der Versteifungsring 7 ist wie bereits beschrieben aus dem unteren Hohlelement 8, dem oberen Hohlelement 9, dem rechten Hohlelement 10 und dem hier nicht gezeigten linken Hohlelement gebildet. Die Hohlelemente sind an ihren Kontaktstellen durch Verbindungen 16 und 17 verbunden. Die Verbindung erfolgt durch einen umgefalteten Blechabschnitt, der durch Punktschweißen mit dem jeweils anderen Element verbunden ist. Ebenso ist das untere Hohlelement 8 an sich nur auf drei Seiten geschlossen und die vierte Seite wird durch Verbindungen 18 mit dem Bodenblech gebildet. In 3 sind klar die in das untere Hohlelement eingeschnittenen Öffnungen zu erkennen. Auf der linken Seite wird das Lautsprecherkabel 21 durch die Öffnung 27 geführt. Da hier ein möglichst geschlossenes Volumen für das Resonanzvolumen des Lautsprechers erreicht werden soll, ist diese Öffnung zusätzlich durch ein Dichtelement abgedichtet. Hier wird ein Gummipfropfen genutzt. Es sind jedoch auch andere relativ luftdichtschließende Materialien wie beispielsweise eine Silikonschicht oder ähnliches möglich.
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Auf der gegenüberliegenden, das heißt der in Fahrtrichtung hinteren, Seite des unteren Hohlelements 8 ist in einer weiteren Öffnung der Lautsprecher 4 angeordnet. Die Membran 24 des Lautsprechers 4 wird durch Ansteuerung einer nicht gezeigten Spule im Feld des am Lautsprecher angeordneten Permanentmagneten in Schwingung gesetzt. Aufgrund dieser Schwingung werden von der Außenseite 25 der Membran und der Innenseite 26 der Membran Schallwellen abgegeben. Die durch die Innenseite 26 der Membran 24 abgegebenen Schallwellen sind gegenüber den von der Außenseite 25 der Membran 24 abgegebenen Schallwellen um 180° phasenverschoben. Aufgrund der großen Wellenlänge tieffrequenter Schallwellen würde es daher in dem Fall, in dem beide ungehindert zum Hörer gelangen, zu einer Auslöschung des Schalls kommen.
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In der in 3 gezeigten Anordnung wird dies dadurch vermieden, dass die Innenseite 26 der Membran 24 nur mit der Luft im Hohlraum 12 in Kontakt steht. Das untere Hohlelement 8 ist hier im wesentlichen luftdicht. Selbstverständlich erfolgt auch in diesem Fall ein gewisser Luftaustausch zwischen dem Hohlraum 12 und der Umgebungsluft. Dieser Luftaustausch erfolgt jedoch auf einer Zeitskala, die wesentlich länger ist als eine Schwingungsperiode der tiefsten abzugebenden Schallwelle. Daher kann eine durch die Innenseite 26 der Membran 24 abgegebene Schallwelle von einem außerhalb des Hohlraums befindlichen Hörer nicht wahrgenommen werden. Wie eingangs erwähnt ist es wesentlich, dass der Hohlraum 12 eine ausreichende Größe aufweist, so dass keine wesentlichen zusätzlichen Rückstellkräfte durch eine Kompression der Luft im Hohlraum 12 durch die von der Innenseite 26 der Membran 24 abgegebenen Schallwellen erfolgt. Zudem ist es vorteilhaft, die Innenseite des Hohlraums 12 mit Dammmaterial 28 auszukleiden, um stehende Wellen oder ein Mitschwingen des begrenzenden Blechs des unteren Hohlelements 8 zu vermeiden.
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In einigen Fällen ist das durch das durch das untere Hohlelement 8 zur Verfügung gestellte Resonanzvolumen nicht ausreichend groß, um eine bestmögliche Schallwidergabe zu ermöglichen. In diesem Fall kann der Torsionsring so modifiziert werden, wie es in 4 gezeigt ist. Auch hier ist der Torsionsring durch durch die vier Hohlelemente 9, 10, 8 und 13 gebildet. Wesentlich ist hier, dass die einzelnen Hohlelemente 8, 9, 10, 13 zwar nach außen hin luftdicht abgeschlossen sind, zwischen den Hohlelementen jedoch Öffnungen 20 vorhanden sind, die Luft passieren lassen. Damit bilden die vier Hohlelemente 9, 10, 8 und 13 einen gemeinsamen Hohlraum und damit auch ein gemeinsames Resonanzvolumen. Wird nun die Innenseite einer oder mehrerer Lautsprechermembranen an den Hohlraum angekoppelt, so steht ein wesentlich größeres Resonanzvolumen zur Verfügung.
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Wird wie in den bisherigen Ausführungsbeispielen das Resonanzvolumen so genutzt wie ein geschlossenes Lautsprechergehäuse, so führt diese Vergrößerung des Resonanzvolumens dazu, dass ein größeres Luftdruckvolumen zur Verfügung steht, um durch die durch die Rückseite der Membran abgegebenen Schallwellen komprimiert zu werden. Dadurch wird durch die Luft eine geringere zusätzliche Rückstellkraft auf die Lautsprechermembran ausgeübt und es kommt zu weniger Verzerrungen des Audiosignals. Eine Vergrößerung des Resonanzvolumens kann jedoch auch vorteilhaft sein, wenn das Resonanzvolumen als Resonanzvolumen eines Helmholtz-Resonators oder anderer Resonatorstrukturen mit weiteren Schallöffnungen genutzt wird. In diesem Fall kann das größere Luftvolumen die Resonanzfrequenz des Resonators senken. Niedrige Resonanzfrequenzen haben im Wesentlichen den Vorteil, dass Signale weit oberhalb der Resonanzfrequenz um 180° phasenverschoben werden und damit die durch zusätzliche Öffnungen austretenden Schallwellen nahezu die gleiche Phase aufweisen wie die durch die Vorderseite der Membran abgegebenen Schallwellen.
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In 5 ist eine Anordnung gezeigt, bei der durch eine zusätzliche Öffnung 23 das Resonanzvolumen mit der Umgebungsluft gekoppelt wird. Hier ist ausschließlich das untere Hohlelement 8 als Resonanzvolumen gezeigt. Selbstverständlich ist auch eine Anordnung der Resonanzvolumen wie in 4 gezeigt möglich. Der Hohlraum 12 des Hohlelements 8 dient hier als Volumen für einen Resonator. Der gesamte Resonator wird durch den Hohlraum 12 und das in den Hohlraum eingebrachte Rohr 22 gebildet. Der Lautsprecher 4 ist hier mit seinem Korb an einer Öffnung des Hohlelements 8 angeordnet. Das Lautsprecherkabel 21 ist durch eine weitere Öffnung 27 aus dem Hohlelement herausgeführt. Die Öffnung 27 für die Kabel ist auch hier durch das Dichtmaterial 19 abgedeckt, da weitere Öffnungen des Hohlelements zu einer Verstimmung des Resonators und damit zu einer Veränderung seiner Eigenschaften führen können. Die Abgabe von Schallwellen des Lautsprechers 4 erfolgt auch hier durch die Membran 24. Die Schallwellen werden sowohl durch die Außenseite 25 der Membran 24 als auch durch die Innenseite 26 der Membran 24 abgegeben. Die Innenseite der Membran 26 strahlt die Schallwellen in den Hohlraum 12 ab. Da der Hohlraum 12 hier als Resonator dient bildet er ein System, das als Feder-Masse-System beschrieben werden kann. Die von der Membran-Innenseite 26 abgegebenen Schallwellen können als treibende Kraft der Oszillation interpretiert werden. Da sich die Frequenz der Schallwellen weit oberhalb der Resonanzfrequenz des Resonators befindet, schwingt der Resonator mit nahezu 180° Phasenverschiebung gegenüber der Schwingung der Innenseite 26 der Membran 24. Dementsprechend werden durch das Rohr 22 an der Öffnung 23 auch Schallwellen ausgegeben, die gegenüber der Schwingung der Innenseite 26 der Membran 24 eine Phasenverschiebung von ca. 180° aufweisen. Damit haben die an der Öffnung 23 abgegebenen Schallwellen aber die gleiche Phase wie die an der Vorderseite 25 der Membran 24 abgegebenen Schallwellen. Damit addieren sich die Schallwellen.
