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Die Erfindung betrifft einen Schalltransformator nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und einen Lautsprecher mit einem Schalltransformator dieser Art.
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Es ist bekannt, in Lautsprechern Schalltransformatoren einzusetzen, die einen Eingang zum Einstrahlen von Schallwellen und wenigstens einen Ausgang zum Abstrahlen von transformierten Schallwellen umfassen. Derartige Schalltransformatoren sind in bekannten Lautsprechern insbesondere trichter- oder trompetenförmig ausgebildet. Sie können beispielsweise in Sprachrohren, Trichterlautsprechern oder Blasinstrumenten die Schallabstrahlung. Dabei findet die Schallwelle nach dem Eintritt in die Eingangsöffnung zunächst die reelle Strahlungsimpedanz des Rohres vor und der Übergang vom Rohr in den Freiraum erfolgt durch allmähliche Erweiterung des Rohrquerschnitts. Um geringe Reflexionen zurück in den Trichter zu vermeiden, ist der Endquerschnitt des Rohrs nach der herkömmlichen Lehre so groß wie möglich zu gestalten.
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Das von dem Trichter abgestrahlte Schallfeld hat dabei eine Symmetrie, die der Symmetrie des Trichters entspricht. Der Schall wird dadurch mit dem gleichen Abstrahlwinkel in seitliche Richtungen abgestrahlt wie nach oben und unten. Dadurch kann es zu Schallreflexionen am Boden und/oder an der Decke kommen, die im Ohr des Hörers mit direkt ankommenden Schallwellen interferieren. Da sich in Räumen die Ohren von Hörern ohnehin nur in einem relativ kleinen Höhenbereich bewegen, führt Schallleistung, die nicht in diesen Höhenbereich gestrahlt wird, zu Interferenzen oder zu Verlustleistungen.
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Ferner sind herkömmliche Schalltransformatoren so ausgestaltet, dass die gesamten von dem hinter dem Schalltransformator angeordneten Schwingungsgeber erzeugten Schwingungen möglichst vollständig und originalgetreu übertragen werden.
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Es ist jedoch bekannt, dass bereits im Schwingungsgeber Artefakte wie Oberschwingungen und dergleichen erzeugt werden, die vom Material des Schwingungsgebers, der Membran oder einer Kalotte oder einem Kegel abhängen. Ein originalgetreues Abstrahlen oder Verstärken dieser Artefakte ist daher entgegen dem anderslautenden technischen Vorurteil nicht immer wünschenswert.
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Der Erfindung liegt insbesondere die Aufgabe zugrunde, einen Schalltransformator bereitzustellen, der einerseits Artefakte des Schwingungsgebers wirkungsvoll herausfiltern kann und andererseits die Schallwellen zumindest in einem vorgegebenen Frequenzbereich wirkungsvoll in ein langreichweitiges Schallwellenfeld transformiert.
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Die Aufgabe wird insbesondere durch einen Schalltransformator nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und durch einen Lautsprecher mit einem solchen Schalltransformator gelöst.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Die Erfindung geht insbesondere aus von einem Schalltransformator mit einem Eingang zum Abstrahlen von Schallwellen, wenigstens einem Ausgang zum Abstrahlen von transformierten Schallwellen und mit wenigstens einem Schallkanal, der die Schallwellen vom Eingang zum Ausgang leitet.
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Es wird vorgeschlagen, dass der Schallkanal in einer transversal zu einer Hauptausbreitungsrichtung der Schallwellen verlaufenden Schnittebene einen rotationssymmetrischen Querschnitt hat, der im Bereich des Ausgangs in einen schlitzförmigen Querschnitt übergeht. Vom schlitzförmigen Querschnitt werden im idealen Fall eines unendlich langen Schlitzes Zylinderwellen abgestrahlt, deren Energie umgekehrt proportional zum Abstand zum Lautsprecher abfällt, während die Strahlungsenergie eines Kugelwellenfelds bekanntlicherweise umgekehrt proportional zum Quadrat des Abstands abfällt. Das Strahlungsfeld wird dadurch sehr viel langreichweitiger, was auch bei einem nicht idealen Schlitz von endlicher Länge deutlich spürbar ist.
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Neben diesem Reichweitenvorteil hat sich herausgestellt, dass das von einem erfindungsgemäßen Schalltransformator abgestrahlte Schallfeld eine überraschend hohe Qualität hat. Insbesondere hat sich ergeben, dass das entstehende Schallfeld demjenigen einer idealen, in der Ausgangsöffnung schwingenden Luftsäule entspricht und dass Einflüsse von Materialeigenschaften der anregenden Membran im Schwingungsgeber auf den Klang weitestgehend eliminiert werden. Dies wird durch eine Schallführung bewirkt, die zu einem Impedanzsprung der Schall-Strahlungsimpedanz am Ausgang des Schalltransformators führt. Der von einer Membran oder andersgearteten Materialfläche des Schwingungsgebers erzeugte Schalldruck wird derart geführt, dass durch eine Verengung der Schallführungskanäle eine Kompression bzw. Schalldruckerhöhung stattfindet. Am Ende der Schallführung öffnet sich diese schlagartig in den angrenzenden, quasi unendlichen Raum. Dies führt zu einem schlagartigen Abfall des Schalldrucks, also einem negativen Drucktransienten. Dieser Impedanzsprung führt dazu, dass die Oberfläche des Transformators dann wie die eigentliche schallerzeugende Fläche wirkt, da sich hier eine Grenzfläche bildet, die selbst im Rhythmus des Schallsignals schwingt.
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Der Eingangsquerschnitt kann insbesondere so vor dem Schwingungsgeber angeordnet werden, dass Artefakte gar nicht in den Schallkanal eingestrahlt werden bzw. bereits im Anfangsbereich des Schallkanals gedämpft werden.
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In einer Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, den Schalltransformator mit einem Außenkörper und einem im Inneren des Außenkörpers angeordneten Innenkörper auszustatten, wobei der Schallkanal als Spalt zwischen einer Außenfläche des Innenkörpers und einer Innenfläche des Außenkörpers ausgebildet ist. Dadurch kann ein vergleichsweise enger Schallkanal erreicht werden, in dem insbesondere bei geeigneter Geometrie und Symmetrie die Artefakte im Schallfeld nicht propagieren können.
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Ferner wird vorgeschlagen, dass der Schallkanal sich in Richtung des Ausgangs verengt, so dass sich ein Schalldruck einer Schallwelle beim Durchlaufen des Schallkanals erhöht. Nur durch die Erhöhung des Schalldrucks bzw. der Amplitude des Schalldrucks kann am Ausgang ein so starker Druckabfall erreicht werden, dass die Grenzfläche selbst wie eine schwingende Membran aus Luft wirkt.
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In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung hat der Schallkanal im Bereich des Eingangs einen kreisringförmigen Querschnitt, der vorzugsweise konzentrisch zu einer kreisförmigen Membran des Schwingungsgebers angeordnet ist und dessen Innen- und Außenradius sich in der Hauptausbreitungsrichtung der Schallwellen bei gleichbleibender oder geringer werdender Differenz zunächst vergrößert. Im an den Eingang anschließenden Anfangsbereich ergibt sich dadurch ein kegelmantelförmiger Spalt. Im weiteren Verlauf wird in einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung der Querschnitt immer länglicher, wobei zwei einander in Richtung eines kleineren Durchmessers gegenüberliegende Bereiche mit wachsender Entfernung zum Eingang näher zusammenrücken und im Bereich des Ausgangs schließlich so verschmelzen, dass der Querschnitt in eine Schlitzform übergeht.
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Eine Absorption innerhalb des Schallkanals kann weitgehend vermieden werden, wenn die Außenfläche des Innenkörpers und die Innenfläche des Außenkörpers aus einem harten, schallreflektierenden Material gebildet sind.
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Ferner wird vorgeschlagen, dass eine Öffnung des schlitzförmigen Ausgangs von einer im Wesentlichen senkrecht zur Hauptausbreitungsrichtung stehenden Fläche umgeben ist, so dass ich die Schallführung am Ausgang wie eine Öffnung in eine unendliche Fläche verhält. Dadurch fällt am Ausgang die Flussimpedanz rapide, beinahe sprungartig, ab.
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Insbesondere wird vorgeschlagen, dass der Schallkanal mehrere vom Eingang zum Ausgang verlaufende und sich im Ausgang vereinigende Schallausbreitungswege umfasst, die die gleiche Länge haben, so dass an der Ausgangsöffnung ein kohärentes Schallfeld entsteht. Als Schallausbreitungswege sollen in diesem Zusammenhang Wege mit minimaler Wirkung bezeichnet werden. Unterschiedliche Schallausbreitungswege können dabei kontinuierlich ineinander übergehen. Insbesondere bei kreisringförmigem Querschnitt des Eingangs verläuft so ein Schallausbreitungsweg mit minimaler Wirkung in einer radialen Ebene mit vorgegebenem Winkel bezogen auf eine Symmetrieachse der Eingangsöffnung.
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Insbesondere kann der Schallkanal so ausgebildet werden, dass an der Ausgangsöffnung durch den Druckgradienten eine Grenzfläche entsteht, die hochgradig synchron zu der in den Eingang eingeleiteten Anregung schwingt.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft einen Lautsprecher mit einem Schwingungsgeber als Schallwellenerzeuger und einer mit dem Eingang vor dem Schallwellenerzeuger angeordneten Schalltransformator nach einem der vorhergehenden Ansprüche. Der Schalltransformator transformiert die von dem Schwingungsgeber in den Eingang eingestrahlten Schallwellen.
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Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Beschreibung der Figuren. Die Beschreibung, die Ansprüche und die Figuren enthalten zahlreiche Merkmale in speziellen Kombinationen, die der Fachmann ohne weiteres in anderes Kombinationen oder Unterkombinationen betrachten wird, um die Erfindung an den von ihm gewünschten Anwendungsbereich anzupassen, ohne den durch die Ansprüche definierten Schutzbereich zu verlassen.
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1 zeigt schematisch einen Schwingungsgeber mit einem darauf aufgesetzten Schalltransformator in einer perspektivischen Ansicht.
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2 zeigt den Schwingungsgeber und den Schalltransformator aus 1 in einer Teilschnittdarstellung.
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3 zeigt den Schwingungsgeber und den Schalltransformator aus den 1 und 2 in einer vertikalen Draufsicht.
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4 zeigt einen Schallkanal des Schalltransformators aus den 1–3 in einem Schnitt entlang der Linie IV-IV aus 3.
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5 zeigt den Schalltransformator in einem Schnitt entlang der Linie V-V in 3.
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1 und 2 zeigen einen Schwingungsgeber 10 mit einem darauf aufgesetzten Schalltransformator 12 nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Der Schwingungsgeber 10 umfasst einen elektromagnetisch angetriebenen Lautsprecher mit einer von einer Abdeckung 14 abgedeckten Membran, die Schallwellen erzeugt. Auf der Abdeckung 14 ist der Schalltransformator 12 montiert, in dem ein kreisringförmiger Eingang 16 des Schalltransformators 12 über einem kreisringförmigen Bereich der Abdeckung 14 liegt, in dem diese mit radial verlaufenden Schlitzen 18 ausgestattet ist, die Schall in einem Schallkanal 20 des Schalltransformators 12 eindringen lassen.
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Der Schallkanal 20 ist als ein Spalt zwischen einer Außenfläche eines Innenkörpers 22 und einer Innenfläche eines Außenkörpers 24 des Schalltransformators ausgebildet. Dabei umschließt der Schallkanal 20 den Innenkörper 22 vollumfänglich, so dass die gesamte Oberfläche des Innenkörpers 22 bis auf einen kreisförmigen, an der Abdeckung 14 anliegenden Bereich eine Begrenzungswand des Schallkanals 20 bildet. Der Innenkörper 22 ist über Haltestege 26 im Außenkörper 24 befestigt. Die Haltestege 26 verlaufen radial zu einer Mittelachse des Schwingungsgebers 10, der gleichzeitig eine Hauptausbreitungsrichtung 28 der Schallwellen definiert und eine zweifache Rotationssymmetrieachse des Schalltransformators 12 bildet, der sowohl zu einer horizontalen als auch zu einer vertikalen Ebene spiegelsymmetrisch ausgebildet ist.
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Der Schalltransformator 12 ist dazu vorgesehen, in einem Lautsprecher so montiert zu werden, dass ein Ausgang 30 mit einem schlitzförmigen Querschnitt mit seiner Längsrichtung vertikal ausgerichtet ist, so dass der Schalltransformator 12 am Ausgang 30 ein Schallfeld erzeugt, das näherungsweise halbzylinderförmig mit vertikaler Achse ausgestaltet ist.
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Die Breite des Schallkanals 20, also der Abstand zwischen dem Innenkörper 22 und dem Außenkörper 24, verengt sich in Richtung des Ausgangs 30 allmählich, so dass sich ein Schalldruck einer Schallwelle beim Durchlaufen des Schallkanals erhöht. Der im Bereich des Eingangs kreisringförmige Querschnitt weitet sich mit zunehmender Entfernung vom Eingang 16 zunächst kegelmantelförmig auf, um dann im weiteren Verlauf immer länglicher zu werden, wobei zwei in einer Richtung des kleineren Durchmessers gegenüberliegende Bereiche näher zusammenrücken und die Endbereiche in Richtung des größeren Durchmessers sich proportional zum Abstand vom Eingang 16 voneinander entfernen, bis die beiden zusammenrückenden gegenüberliegenden Bereiche im Ausgang 30 derart verschmelzen, dass der zunehmend längsovale Querschnitt in eine Schlitzform übergeht.
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Die Außenflächen des Innenkörpers 22 und die Innenflächen des Außenkörpers 24 sind aus einem harten, schallreflektierenden Material gebildet.
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Eine Öffnung des schlitzförmigen Ausgangs 30 ist im montierten Zustand von einer im Wesentlichen senkrecht zu der Hauptausbreitungsrichtung stehenden Fläche umgeben, so dass sich die Schallführung am Ausgang 30 wie eine Öffnung in eine unendliche Fläche verhält. Dazu kann der in den 1 und 2 dargestellte Rand durch eine geeignete Fläche in einem gewünschten Dekor zu den Seiten hin erweitert werden.
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Im Ausgang 30 treffen sich verschiedene Schallausbreitungswege bzw. Pfade von Schallwellen, die in unterschiedlichen Richtungen um den Innenkörper herum propagiert sind. Ein wesentliches Merkmal der Erfindung ist, dass der Schallkanal 30 so ausgebildet ist, dass die effektiven Schallausbreitungswege von dem Eingang 16 zum Ausgang 30 im Wesentlichen unabhängig von der Position des betrachteten Endpunkts in der Ausgangsöffnung 30 sind. Dazu ist der Neigungswinkel, mit dem sich der Innenkörper zum Ausgang hin keilartig verengt, betragsgleich mit dem Winkel, in dem sich der Innenkörper in einem Vertikalschnitt kegelartig aufweitet. Durch diese Längengleichheit der akustischen Ausbreitungspfade wird in der schlitzförmigen Fläche des Ausgangs 30 eine vollkommen kohärente Schwingung erzeugt und Interferenzen zwischen Beiträgen unterschiedlicher Ausbreitungswege werden zumindest für Komponenten des Schallfelds, die in einer Multipool-Zerlegung am Eingang 16 rotationssymmetrisch zur Hauptausbreitungsrichtung 28 sind, vermieden. Dadurch entsteht in der Ausgangsöffnung 30 eine Grenzfläche, in welcher der Schalldruck durch die Verengung der Schallkanäle 20 und durch das Zusammenlaufen mehrere Schallausbreitungswege mit hohem Schalldruck schwingt.
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Da sich nach dem Ausgang 30 der Raum schlagartig öffnet, entsteht an dieser Grenzfläche ein Druckgradient bzw. ein Impedanzsprung und das von der im Ausgang 30 schwingenden Luftsäule erzeugte Schallfeld wird mit hoher Effizienz abgestrahlt.
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Die 4 und 5 zeigen den Schallausbreitungskanal in den in 3 dargestellten Vertikalschnitten. Ein Vertikalschnitt in einer Mittelebene des Schalltransformators 12 ist gestrichelt in 3 dargestellt, so dass unterschiedliche Schallausbreitungswege 20a, 20b mit gleicher Länge erkennbar sind.
