DE102013009605B3

DE102013009605B3 - Lautsprecherchassis mit Membran mit spiralförmigem Strömungskanal

Info

Publication number: DE102013009605B3
Application number: DE201310009605
Authority: DE
Inventors: Patentinhaber gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2013-06-07
Filing date: 2013-06-07
Publication date: 2014-06-12
Anticipated expiration: 2033-06-08

Abstract

Eine neue Membranausführung zur Verbesserung der Wiedergabe von herkömmlichen dynamischen Lautsprecherchassis sowohl im Tiefton- als auch im oberem Frequenzbereich findet Anwendung in kompakten 1-Wege- oder 2-Wege-Systemen vorzugsweise mit einer elektrodynamischen Passiv-Membran, welche eine noch tiefere Resonanzabstimmung des Systems ermöglicht, als die Anwendung eines Bassreflexrohrs. Zur Bassanhebung werden Chassis mit möglichst großen Membranen gewählt. Deren Einsatz ist aber im Mittelton-Frequenzbereich eingeschränkt. Das Problem, speziell wenn der Hochtöner den Mitteltonbereich nicht deckt, kann mit neuer Membran gemäß der Erfindung gelöst werden. Außerdem können unkontrollierte Membranauslenkungen der elektrodynamischen Passiv-Membran infolge ihres großen Q-Faktors und eines kleinen Einbauvolumens mit einem nichtlinearen Widerstand zwischen den Anschlüssen der Schwingspule verhindert werden. Zur weiteren Steigerung der Effizienz im Tieftonbereich ist eine „Air Load Mass”-Druckkammer-Betriebsart des Chassis vorgeschlagen. Mit der Anwendung von neuen Designmerkmalen lassen sich sehr kompakte „full-range” Lautsprechersysteme realisieren. Anwendungsgebiet sind herkömmliche Vollbereich-Flachlautsprecher, bei welchen bekanntlich der Schalldruck im Niederfrequenzbereich typischerweise bereits ab 100 Hz abnimmt. Eine Lösung dieses Problems liegt in der Aufgabe, tiefere Resonanzfrequenzen des Lautsprechersystems zu erreichen.

Description

Einleitung: Die vorliegende Erfindung betrifft eine neue Membranausführung zur Verbesserung der Wiedergabeeigenschaften sowohl im Tiefton- als auch im oberen Frequenzbereich von herkömmlichen Lautsprecherchassis mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Außerdem betrifft die Erfindung eine elektrische und eine akustische Betriebsart desselben Lautsprecherchassis mit der neuen Membran. Elektrische Betriebsart bezieht sich auf das Lautsprecherchassis eingesetzt als eine elektrodynamische Passiv-Membran. Während eine konventionelle Passiv-Membran keinen elektrodynamischen Motor besitzt sonder lediglich eine Membran und dazugehörige Aufhängung, behält eine elektrodynamische Passiv-Membran elektrodynamischen Motor, der aber nicht extern elektrisch angesteuert ist: Die Schwingspule bleibt über ein passives Netzwerk genannt Korrektionsschaltung elektrisch kurz geschlossen, wodurch die Passiv-Membran „elektrisch” beeinflusst wird. Nicht nur Membranparameter sondern auch Membranumgebung beeinflusst die Schallleistung. Deswegen ist eine neue akustische Betriebsart in einer Druckkammer mit bestimmtem Luftvolumen definiert. Die Betriebsart, bezeichnet als „Air Load Mass” Druckkammer-Betriebsart, steigert zusätzlich die Schallleistung im Tiefton-Frequenzbereich.
Ausbildung eines U-Strömungskanals auf der Vorderseite der Membran gemäß PA 1 bewirkt, dass im Tiefton-Frequenzbereich größeres Luftvolumen in Bewegung gesetzt wird als vergleichsweise mit einer Standardmembran mit gleichem Radius und bei gleichem Hub. Denn die gesamte Membranfläche ist um einen Faktor 1.7 größer geworden. Effektive Vergrößerung der Membranfläche im Tiefton-Frequenzbereich hängt von der akustischen Betriebsart des Chassis ab, siehe PA 5. Solches modifiziertes Lautsprecherchassis kann analog jedem anderen Chassis eingesetzt werden, entweder aktiv – also angesteuert mit einem externen elektrischen Signal, oder passiv – wie elektrodynamische Passiv-Membran. In einem Passivbetrieb ist zwischen den elektrischen Anschlüssen des Chassis eine passive Korrektionsschaltung angeschlossen, sodass jede Membranauslenkung mit einer zusätzlichen Kraft infolge eines elektrischen Stromes induziert Schaltkreis des elektrodynamischen Motors einhergeht. Dieser Einfluss kann generell betrachtet werden als eine „Korrektion” von den Parametern der Membranaufhängung. Es kann zum Beispiel die „erste” Eigenresonanzfrequenz des Systems „elektrisch” nachjustiert werden. Die Erfindung sieht in dem Anwendungsfall eine nichtlineare Kennlinie der Korrektionsschaltung vor, welche üblicherweise mit nichtlinearen Halbleiterkomponenten wie Dioden und Transistoren realisierbar ist. Dadurch besteht generell eine nichtlineare Abhängigkeit zwischen der auf Membran wirkenden Korrektion und der Membranauslenkung, und zwar entweder im gesamten Bewegungsumfang der Membran oder erst beginnend ab einer vordefinierten Membranamplitude. Derartige Korrektion verbessert Dynamik einer „schweren” oder einer stark pneumatisch angeregten elektrodynamischen Passiv-Membran in kompakten Lautsprechersystemen.
Stand der Technik: Der nächstkommende Stand der Technik in Bezug auf die neue Membran ist aus der Zusammenfassung (I): JP11215589 (A) und aus der Patentschrift (II): GB250692A ersichtlich, wobei die Erfindung die Vorteile aus der beiden PS kombiniert, nämlich aus (I); Unterbindung von Partialschwingungen, und aus (II); Vergrößerung der Membranfläche. In der PS (I) ist eine Membran mit einem spiralförmigen Versteifung-Faden auf der Oberfläche zwecks Unterdrückung von Partialschwingungen auf der Membranfläche offenbart. Dort ist noch kein Strömungskanal ausgebildet und die Membranfäche unverändert geblieben. Der Grundgedanke der Erfindung ist es, Effizienz der Membran im Tiefton-Frequenzbereich zu verbessern und gleichzeitig der Einsatz eines Chassis mit großer Membran auf den Mittelton- und sogar den Hochton-Frequenzbereich möglich weit auszudehnen. Denn 1-Wege- und 2-Wege-Systeme sind bevorzugt, wenn es um kompakte Lautsprechersysteme geht. Also hier sind im Besonderen sehr kompakte 2-Wege-Lautprechersysteme mit ausreichender Tiefbass-Widergabe als Anwendungszielgruppe gemeint. Eine der Maßnahmen zur Tieftonoptimierung, nämlich eine Vergrößerung der Membranfläche, ist nach der PS (II) nicht neu. Dort ist eine komplexe konusartige Membran vorgestellt, welche als eine Rotationsfläche entsteht, wenn die gesamte Mantelfläche spiralförmig um eine Zentralache mehrere Windungen bildet, sodass mehrere zentral angeordnete und ineinander greifende konusförmige Teilmembranen entstehen, welche gemeinsam zur Schallabstralung beitragen. Durch vergrößerte Membranfläche kann nun mehr Schallleistung an die Luft im Tiefton-Frequenzbereich abgegeben werden. Nachteile der Membranausführung nach der PS (II) sind a); mögliche Schallanteilinterferenzen im Mittelton-Frequenzbereich infolge von den ineinander greifenden Teilmembranen, welche zu Unregelmäßigkeiten im Frequenzgang führen und b); eine komplizierte Membranaufhängung.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine bestehende Membran eines konventionellen Lautsprecherchassis konstruktiv weiter auszubauen, dass ein spiralförmiger Strömungskanal auf der Front-Membranoberfläche angestaute Luftmasse im Tiefton-Frequenzbereich in Radialrichtung befördert und damit effektive Kopplung der Membran an die Luft verstärkt, wobei die Ausbildung des Strömungskanals Partialschwingungen im oberen Frequenzbereich weitgehend unterbindet sowie Schallbündelung der Membran angesichts der Phasenlage von Schallanteilen (für einen ruhigeren Frequenzgang) soweit möglich korrigiert.
Diese Aufgabe wird generell durch die Anwendung der im Patentanspruch 1 angegebenen technischen Maßnahmen gelöst. Unteransprüche 2 bis 6 beschreiben weitere vorteilhafte Ausführungen oder Verbesserungen der im Hauptanspruch definierten Erfindung.
Erfindungsgemäße Lösung der Aufgabe erweitert also den Einsatz z. B. eines Subwoofer-Chassis mit größer Membran (Durchmesser der Membran grösser von etwa 13 cm) im Mittelton-Frequenzbereich, siehe PA2, da keine Partialschwingungen der Membran vorhanden sind, und im Gegenzug effektiv vergrößert die gesamte Membranfläche für mehr Schallleistung im unteren Frequenzbereich. Solches Subwoofer-Chassis mit erweitertem Frequenzgang ist hervorragend geeignet für kompakte 2-Wege-Systeme. Durch die Konstruktivmaßnahme gemäß PA1 steigt zwar entsprechend das gesamte Membrangewicht an (als Gegenmaßnahme siehe PA4), dafür aber als Membranmaterial muss nicht schweres Material wie mehrschicht-, komposit- oder gewebeartiges Material (wie z. B. bei Glasfaser-Aluminium-Honey-Comb Kompositmembran) benutzt werden sondern ist ein leichtes, langfaserig-imprägniertes Papier zu empfehlen.
Im Folgenden betrachten wir den Fall, wenn ein Lautsprecherchassis nach PA1 in einem Lautsprechersystem als elektrodynamische Passiv-Membran angewandt ist. Auch diese Anwendungsart eines elektrodynamischen Chassis ist bereits bekannt. In der PS US4145571 ist ein Lautsprechersystem offenbart, in welchem elektrodynamische Passiv-Membran mit einem einstellbaren Widerstand betrieben ist. Weiterhin sind in der PS DE3145959C1 optimale Widerstandswerte empfohlen worden. In der Masterarbeit von R. Oldfield mit dem Titel „Improved Membrane Absorbers”, Acoustics Department, University of Salford, UK, sind diverse Fälle in Bezug auf den Einfluss auf Eigenresonanzfrequenz und Q-Faktor eines Absorbers mit einer elektrodynamischen Passiv-Membran untersucht worden, und zwar wenn ein Kondensator, eine Induktivität und ein Widerstand einzeln, oder in einer Kombination miteinander, am Ende der Schwingspule angeschlossen sind. Anhand von den Untersuchungen kann zusammenfassend gesagt werden, dass durch die Korrektionsschaltung sowohl Dämpfung (Q-Faktor) als auch Eigenresonanzfrequenz der elektrodynamischen Passiv-Membran in gewissen Grenzen einstellbar ist.
Das Problem der Tiefbass-Wiedergabe in den Kompakt-Lautsprechersystemen ist bekannt. Hier kann in der Regel mit einer Passiv-Membran eine tiefere Resonanzabstimmung des Systems erreicht werden als mit einem Bassreflexrohr. Um das Potential für eine Optimierung der Wiedergabe im Tiefton-Frequenzbereich zu steigern, sind 1-Weg oder 2-Wege-Lautsprechersysteme mit einer elektrodynamischen Passiv-Membran zu empfehlen, und zwar in einer Kombination mit einem Breitbandchassis oder mit einem Subwoofer-/Tief-Mittelton-Chassis gemeinsam mit einem Hochton-Chassis. In den Fällen kann aber eine „schwere” Passiv-Membran mit großem Q-Faktor infolge eines kleinen Gehäusevolumens so intensiv pneumatisch zum Schwingen angeregt werden, dass unkontrollierte Membranauslenkungen Verzerrungen verursachen. Eine Lösung dieses Problems ist eine zweite Aufgabe der Erfindung. Diese Aufgabe wird durch die Anwendung der im Unteranspruch 4 angegebenen technischen Maßnahme gelöst. Dort ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass ein nichtlinearer Widerstand den Q-Faktor reduziert, zum Beispiel beginnend ab einer vordefinierten Membranamplitude. Das wird erreicht indem sich der Wert des nichtlinearen Widersandes mit der induzierten Spannung derart ändert, dass mit zunehmender Spannung der Widerstandswert abnimmt.
Beschreibung der Erfindung:
Ein Lautsprecherchassis mit einer Konusmembran gemäß der Erfindung ist in 1 dargestellt. Da sich theoretische Betrachtungen in der Literatur auf eine Flachmembran beziehen, berechnet man einen äquivalenten Radius, a, für Flachmembran aus effektiver Konusmembranfläche, S_D, und verfahren analog für ovale oder ähnliche Membranformen, mit der Formeln: a = sqrt(S_D/π), wobei sqrt ist ein Symbol für die Quadratwurzel-Funktion und π ist die Kreiszahl. Mit einem bandartigen Profil (BP) ist durch mehrere Windungen einen spiralförmigen U-Strömungskanal (SK) zentral auf der Membranoberfläche geformt, und mit entsprechendem Klebstoff dicht mit der Membran (M) so befestigt, sodass die beiden eine starre Einheit mit stabiler Form während des Betriebs bilden. Während folgende Profilparameter, seine Länge L, L = 4·a·π, und seine Gesamtfläche F, F = 0.7·S_D, erfindungsgemäß festgelegt sind, müssen sowohl die Anzahl der Windungen als auch die Breite (B) des Profils (BP) aus den Vorgaben und unter dem Aspekt optimaler Wiedergabe auf jeweilige Anwendung gefunden werden. So muss beispielsweise bei einem Koaxial-Lautsprecher mit einem Hochtöner im Zentrum die Abstrahlkarakteristik des Hochtöners mit betrachtet werden. Aufgrund der Komplexität gehen wir auf die Problematik der Optimierung der Profilbreite nicht ein.
2 zeigt eine Schaltungsvariante der Korrektionsschaltung (KS) für elektrodynamische Passiv-Membran (M), siehe PA4, und eine ALM-Druckkammer (DK) mit einem Volumen (V_F) und mit einer einzelnen Schallaustrittsöffnung (SA₁) gemäß PA5. Die Rückseite der Membran (M) befindet sich in einer zweiten Kammer mit dem Volumen V_R. Generell ist das Vorhandensein der zweiten Kammer nicht für die Erfindung relevant. Deswegen und der Einfachheit halber ist ein aktiv betriebenes Chassis, das sich im Volumen V_R befinden würde und zwar zum Antreiben der elektrodynamischen Passiv-Membran, weggelassen. Im Betrieb wird zwischen den Anschlüssen (SE) eine Wechselspannung induziert. Die Spannung wird an einen Bipolartransistor (T1) immer mit einer richtigen elektrischen Polarität dank den Dioden D1 bis D4 angelegt. Mit dem Potentiometer (POT) kann eine Spannungsschwelle eingestellt werden, bei welcher ein Kollektorstrom beginnt zu fließen. Mit dem Kollektorstrom werden extreme Membranauslenkungen gebremst.
Die Membran (M) ist ausgeführt gemäß PA1 und eingeschlossen in einem sogenannten ALM-Volumen V_F, wobei V_F ≤ (8/3)·a³, wobei a = sqrt(S_D/π) und S_D = effektive Membranfläche aus den Chassisparametern. Im Weiteren wird die Betriebsart erklärt.
Für Tieftöne mit einer Frequenz um die Freiluft-Resonanzfrequenz eines Subwoofer-Chassis gilt: 2·a·π < 0.1·λ, wobei λ = Wellenlänge. In dem Frequenzbereich besteht akustische Luftimpedanze vorwiegend aus einem Blindanteil, welcher aus Luftmasse besteht, die hin und her von der Membran bewegt wird. Akustische Energie ist im Blindanteil der Luftimpedanze akkumuliert und nur ein kleiner Teil davon wird abgestrahlt außerhalb des Luftvolumens. Die Luftmasse, in der Literatur bekannt als „Air Load Mass” (→ALM-Volumen), ist also in einem Volumen von etwa a²·π·(0.85·a) sowohl auf der Vorderseite als auch auf der Rückseite der Membran eingegrenzt, wenn das Chassis in eine unendliche Wand eingebaut ist, zum Thema siehe den AES-Artikel: J. Vanderkooy, „The Inertial Air Load of a Loudspeaker Diaphragm”. Der Grundgedanke der im Unteranspruch 5 vorgeschlagenen Betriebsart, welche ich als „Air Load Mass”-Druckkammer Betrieb des Chassis bezeichne, besteht darin, die Luftmasse bei z. B. einer Vorwärtsbewegung der Membran (M) so zu beschleunigen, dass der große Teil davon es nicht mehr schafft, durch eine darauf folgende Rückwärtsbewegung die Bewegungsrichtung zu wechseln. Infolge dessen kann mehr Schallleistung nach Außen abgegeben werden. Da die Wirkung der Membran (M) praktisch nur im „Air Load Mass”-Volumen ausgeübt wird, hat es keinen Zweck, das Volumen (V_F) der Druckkammer (DK) zu vergrößern. Da die Druckkammer (DK) mit der Schallaustrittsöffnung (SA₁) als ein Luftstrom-Geschwindigkeitstransformator funktionieren sollte, muss die Gesamtfläche (F_SA1), durch welche der Luftstrom die Schallaustrittsöffnung (SA₁) passiert, nicht grösser sein als die Membranfläche (S_D), welche die Luftmasse bewegt. In einem ALM-Druckkammer-Betrieb kann entweder ein einzelnes Chassis oder mehrere identische Chassis geschaltet parallel innerhalb einer Untergruppe, in welcher alle Chassis entweder im Aktiv- oder im Passivbetrieb sind, eingesetzt werden. Wenn also mehrere Chassis alle gemeinsam in einer Gruppe betrieben werden, vergrößert sich das Volumen der gemeinsamen Druckkammer (DK) in Bezug auf den Betrag, der für ein Chassis vorgesehen ist. Es ist dabei nicht relevant, ob die Teile der Gruppe aktiv und der Rest der Gruppe passiv betrieben werden. Relevant ist, dass die gesamte maximale Schallaustrittsfläche gleich geblieben ist (S_D). Auf dieser Weise lässt sich den Kompressionsfaktor innerhalb der Druckkammer (DK) zusätzlich vergrößern.

Claims

Lautsprecherchassis mit Membran mit spiralförmigem Strömungskanal umfassend ein konventionelles, elektrodynamisches Subwoofer-, Tief-Mittelton-, Breitband-, oder Koaxial-Lautsprecherchassis, welches entweder eine konus- oder ellipsenförmige Membran mit einer Abdeckkappe (AK) oder einem Hochtonchassis in der Mitte oder aber eine Flachmembran besitzt, wobei die Membran zur Schallerzeugung entweder aktiv angeregt ist; d. h. von elektrodynamischem Motor aus einem permanenten Magnetsystem (MS) und aus einer Schwingspule (SS) mittels eines externen elektrischen Signals zwischen der Anschlüsse der Schwingspule (SE), oder passiv; d. h. als eine elektrodynamische Passiv-Membran durch eine pneumatische Koppelung über mitschwingende Luftmasse ohne Mitwirken eines externen elektrischen Signals zwischen den Anschlüssen der Schwingspule (SE), wobei die Anschlüsse (SE) mit einer Korrektionsschaltung (KS) elektrisch geschlossen sind, mit folgenden Merkmalen: a) Ein langes, dünnes, bandartiges Profil (BP) mit einer Länge (L), einer Gesamtfläche (F) und einer Breite (B), die entlang des Profils (BP) nicht konstant bleiben muss, ist mit seinem längeren Rand auf der Vorderseite der Membran (M) in Form einer Spirale um den Membranzentrum so angebracht, dass das Profil (BP), entweder beginnend direkt vom Abdeckkappe-Rand oder von einem Mambranausnehmung-Rand für Einbau des Hochtonchassis oder vom Membranzentrum, oder beginnend mit einem Abstand davon, vertikale Wände eines U-förmigen Strömungskanals (SK) bildet. b) Die Wände aus dem Profil (BP) sind stets parallel mit der Schwingungsachse der Membran (M). c) Das Profil (BP) verfolgt geometrisch den Verlauf einer archimedischen Spirale, sodass die Breite des Strömungskanals (SK) konstant ist. d) Der Rand des Profils (BP), der auf der Vorderseite der Membran (M) liegt, ist dicht und fest mit der Membranfläche entlang des Strömungskanals (SK) verklebt und bildet gemeinsam mit der Membran (M) eine starre Einheit während des Betriebs. e) Die Länge (L) des Profils (BP) entspricht dem zweifachen äquivalenten Membranumfang (O) des Lautsprecherchassis, wobei O = 2·a·π, und a ist der äquivalente Radius, a = sqrt(S_D/π), und S_D ist effektive Membranfläche (S_D) aus den Chassisparametern. f) Die Gesamtfläche (F) des Profils (BP) beträgt 70% von der effektiven Membranfläche (S_D) des Lautsprecherchassis.
Lautsprecherchassis mit Membran mit spiralförmigem Strömungskanal nach Anspruch 1 mit einem erweiterten und/oder ruhigeren Frequenzgang im oberen Frequenzbereich, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl die Membran (M) als auch das Profil (BP) aus leichtem Papier sind, das vorzugsweise langfaserig und imprägniert ist.
Lautsprecherchassis mit Membran mit spiralförmigem Strömungskanal nach Anspruch 1 mit einer Membran aus hartem Material wie zum Beispiel aus Keramik, Metall oder Ähnlichem mit ausgeprägter Neigung zur Partialschwingungen im Mittelton-Frequenzbereich dadurch gekennzeichnet, dass das Profil (BP) aus leichtem Material ist, das vorzugsweise eine hohe innere Dämpfung besitzt.
Lautsprecherchassis mit Membran mit spiralförmigem Strömungskanal nach einem der Ansprüche 1 bis 3 passiv betrieben als elektrodynamische Passiv-Membran mit einer Korrektionsschaltung (KS), dadurch gekennzeichnet, dass die Korrektionsschaltung (KS) eine Spannung-Strom-Kennlinie eines nichtlinearen Widerstandes aufweist, dessen Widerstandswert mit zunehmender Spannung kontinuierlich oder segmentsweise abnimmt, und welche zwischen den Anschlüssen (SE) angeschlossen ist, entweder allein oder in Parallel mit einer beliebigen Kombination aus passiven Elementen R, L und C.
Lautsprecherchassis mit Membran mit spiralförmigem Strömungskanal nach einem der Ansprüche 1 bis 4, welches entweder einzeln oder gruppiert in jeweilige Gruppe, in welcher mehrere solche, parallel geschaltete und gleichartig betriebene (aktiv/passiv) Chassis eingesetzt sind, derart ausgestaltet ist dass jede Membran (M) mit dazu gehörigem Strömungskanal (SK) in einer gemeinsamen Druckkammer (DK) mit einem Volumen (V_F) und mit mindestens einer Schallaustrittsöffnung (SA₁) mit einer Fläche (F_SA1) zur Schallabstrahlung nach Außen eingeschlossen sowie im Tiefton-Frequenzbereich in ein er „Air Load Mass”-Druckkammer-Betriebsart ist, und welche dadurch gekennzeichnet ist, a) dass in der Anwendung eines einzelnen Chassis das Volumen (V_F) der Druckkammer (DK) maximal beträgt, V_Fm = (8/3)·a³, wobei a ist der äquivalente Radius a = sqrt(S_D/π) und S_D ist die effektive Membranfläche aus den Chassisparametern. b) dass in der Anwendung von mehreren Chassis das Volumen (V_F) der gemeinsamen Druckkammer (DK) maximal beträgt, V_Fmax = m·(8/3)·a³ + (0.6 m–0.8)·(8/3)·a³ = 0.8 (2 m – 1)(8/3)·a³, wobei m = Anzahl von identischen Chassis. c) dass die gesamte Schallaustrittsfläche ΣF_SAn in Summe von allen einzelnen Schallaustrittsflächen F_SAn, kleiner oder gleich ist von der effektiven Membranfläche (S_D), ΣF_SAn ≤ S_D, wobei n = Anzahl von Schallaustrittsöffnungen.
Lautsprecherchassis mit Membran mit spiralförmigem Strömungskanal nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, a) dass jede von den Schallaustrittsöffnungen (SAm) so positioniert ist, dass die Luftmasse senkrecht in Bezug auf die Bewegungsachse jeder beliebigen Membran (M) diese Schallaustrittsöffnung passiert.