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Die Erfindung betrifft einen 3-Achsen-Bass-Lautsprecher zur Erzeugung von hohen Schalldrücken im Tiefbassbereich bei geringen Gehäuseabmessungen.
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Die 6 Basschassis sind im Gehäuse rotationssymmetrisch und diametral zueinander auf 3 Achsen angeordnet, die jeweils senkrecht aufeinander stehen mit einem gemeinsamen Schnittpunkt im Mittelpunkt des Gehäuses. (siehe und )
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Stand der Technik
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Allgemein sind zur Erzeugung von Bass neben einer offenen Schallwand Lautsprechergehäuse in geschlossener Form, Bassreflexgehäuse, Bandpassgehäuse, Transmissionlinegehäuse sowie Hornlautsprecher verbreitet. Alle aufgezeigten Varianten weisen zumeist in Abhängigkeit von der Größe zu tiefen Frequenzen hin einen Schalldruckabfall auf.
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Bei der offenen Schallwand tritt ab Eintreten des akustischen Kurzschlusses ein 6 dB Abfall pro Oktave, unterhalb der Resonanzfrequenz des Chassis zusätzlich ein 12 dB/oct Abfall auf.
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Bei geschlossenen Boxen tritt unterhalb der durch das Boxenvolumen beeinflussten Resonanzfrequenz ein Abfall in Abhängigkeit von Qtc, der Güte des Lautsprechers im geschlossenen Gehäuse, auf.
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Die Bassreflexbox lässt sich tiefer abstimmen, es lässt sich aber eine Resonanzfrequenz f3 bestimmen, unter der ein erheblicher Schallabfall auftritt. Die resultierende Resonanzfrequenz f3 ist abhängig von Resonanzfrequenz und Qts des Chassis, vom Gehäusevolumen und Tunnellänge sowie -durchmesser.
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Bandpassgehäuse dienen zur Übertragung schmaler Frequenzbereiche, maximal 1-1,5 Oktaven, unterhalb und oberhalb fällt der Schalldruck mit 12 dB/oct ab.
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Das Transmissionlinegehäuse weist einen starken Schalldruckabfall unterhalb der Frequenz auf, die durch die Resonanzfrequenz des eingebauten Chassis und die Länge des Transmissionlinekanals bestimmt wird.
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Der Hornlautsprecher weist eine untere Grenzfrequenz in Abhängigkeit von eingesetztem Chassis, Hornlänge, Größe der Anfangs- und Endöffnung auf. Unterhalb der Grenzfrequenz tritt ein starker Schalldruckverlust auf. Das Grundprinzip eines Hornlautsprechers basiert auf der Erhöhung des Strahlungswiderstandes für die Lautsprechermembran. Für eine Kolbenmembran, deren Umfang in Relation zur Wellenlänge klein ist, ist der Realteil des Strahlungswiderstandes gering und somit auch die abgestrahlte akustische Leistung. Der Horntrichter bewirkt nun, vergleichbar einem Übertrager auf der elektrischen Ebene, eine Impedanztransformation. Damit steigen der Realteil des Strahlungswiderstandes und somit auch die abgestrahlte akustische Leistung an.
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Schwingt eine Membran mit tiefer Frequenz (also langsamer Bewegung), so weicht die Luft dieser Membranbewegung vorwiegend seitlich aus anstatt zu einer hörbaren Druckwelle komprimiert zu werden. Es entsteht wenig hörbarer Schalldruck, die Membran erfährt kaum einen Luftwiderstand (=Strahlungswiderstand) während der Hubbewegung.
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Bei höheren Frequenzen jedoch kann die Luft nicht schnell genug seitlich ausweichen, wird vor der Membran unter Druck gesetzt und übt daher einen mechanischen Gegendruck auf die Membran aus, den Strahlungswiderstand. Dabei wird wirksam Schalldruck erzeugt.
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Da die für die akustische Leistung eines Lautsprechers maßgeblichen Einflussgrößen Strahlungswiderstand (Z) und Membrangeschwindigkeit (V) einerseits in einem proportionalen Verhältnis zur akustischen Leistung stehen, andererseits aber oberhalb der Resonanzfrequenz (V nimmt proportional mit der Frequenz ab, Z steigt mit zunehmender Frequenz) zueinander genau umgekehrt proportional verlaufen (und unterhalb eben nicht), hat dies zur Folge, dass ein mit steigender Frequenz zunehmendes Z und gleichzeitig abnehmendes V sich durch ihre Größenveränderung wechselseitig kompensieren: Die akustische Leistung zeigt sich somit weitestgehend unabhängig von der Frequenz, was eine Voraussetzung für einen sauberen Frequenzgang ist, während zu tiefen Frequenzen hin ein Schalldruckabfall auftritt.
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Lösung
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Um einen hohen Strahlungswiderstand für sehr tiefe Frequenzen nutzen zu können, müsste ein Chassis riesige Ausmaße annehmen oder ein Hornlautsprecher eine extrem große Hornöffnung haben, damit die Luft nicht ausweichen kann.
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Unsere Lösung besteht in der Annäherung der Anordnung der schallerzeugenden Membranen an die Form eines Kugelgehäuses, das Schwingungen in der Luft erzeugt, indem es sich quasi den angelegten Spannungen entsprechend ausdehnt und zusammenzieht, sodass die umgebende Luft nicht ausweichen kann.
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Ein geschlossenes Lautsprechergehäuse, in dem dreidimensional angeordnete, also mindestens 6 baugleiche Lautsprecher-Basschassis auf der Oberfläche einer imaginären Kugel gleich weit entfernt voneinander angeordnet sind und gleichphasig angetrieben werden, kommt dieser Idealvorstellung am nächsten. Von der Größe der addierten Membranflächen der Chassis im Verhältnis zur Oberfläche der imaginären Kugel ist abhängig, wie weit sich dieser Basslautsprecher der genannten Idealvorstellung nähert. Das Gehäuse kann sowohl durch eine Kugel als auch einen Würfel oder einen anderen regulären Polyeder mit mindestens 6 Seiten als Gehäuseform realisiert werden (s. schematische Abbildung eines Basswürfels in und ). Es muss bei der Aufstellung so positioniert werden, dass keines der Chassis durch eine angrenzende Raumfläche in der Abstrahlung behindert wird.
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Die Größe des Gehäuses bestimmt die Größe und Beschaffenheit der verwendeten Basschassis, wobei - am Beispiel eines Würfelgehäuses erläutert -
- • die addierten Membranflächen der Chassis im Verhältnis zur Oberfläche einer Kugel mit dem Durchmesser der Kantenlänge des Würfelgehäuses möglichst groß sein sollten, die Chassis inklusive Korb und Magnet aber noch in das Gehäuse hineinpassen,
- • der Qtc, also die Güte der Chassis in dem Basswürfelgehäuse, einen Wert von Q = 0,75 möglichst nicht überschreiten sollte, um ein präzises Ein- und Ausschwingverhalten zu gewährleisten.
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Der in den und gezeigte Versuchs-Würfellautsprecher (W1) weist eine Kantenlänge von 48 cm auf, die Membranen (Basschassis Mivoc AWM 124) befinden sich auf der Peripherie einer gedachten Kugel von ca. 48 cm Durchmesser, die eine Oberfläche von 7238 cm2 hat. Die eingesetzten 12 Zoll - Chassis haben eine Gesamtoberfläche von 3300 cm2. Der Qtc beträgt in dieser Konfiguration 0,65.
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Daraus ergibt sich, dass statt der in der Abbildung eingesetzten Lautsprecherchassis solche verwendet werden sollten, deren Körbe weniger ausladend sind, z. B. durch Verwendung von Neodymmagneten, sodass ein kleineres Gehäuse verwendet werden kann. Ein Beispiel wären sechs 10 Zoll Chassis von B&C Speakers, das Modell 10NW64, die aufgrund ihrer Abmessungen in ein Würfelgehäuse mit einer Kantenlänge von nur 30 cm eingesetzt werden können. Eine Kugel mit 30 cm Durchmesser hat eine Oberfläche von 2827 cm2. Die eingesetzten 10 Zoll - Chassis haben eine Gesamtoberfläche von 1920 cm2. Die Chassis hätten in einem Würfelgehäuse dieser Größe einen berechneten Qtc von 0,75. Das Luftvolumen ist also nicht zu klein, der Qtc ermöglicht ein präzises Ein- und Ausschwingen der Chassis.
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Dies entspricht einer relativ guten Annäherung an die Idealvorstellung einer sich ausdehnenden und zusammenziehenden Kugel. Die gegenüber einem Kugelgehäuse bei einem Würfelgehäuse vorspringenden Kanten und Ecken sind nicht abträglich, sondern verringern noch (in sehr geringem Maße) den Raum, in dem die Chassis die Luft anregen müssen.
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Zu erwähnen ist, dass es verschiedene Kugellautsprecher wie die Grundig Audiorama gab und gibt, die aber auf eine möglichst gleichmäßige Schallverteilung ihres gesamten abgestrahlten Frequenzbereichs ausgelegt sind und nicht der Schalldruckoptimierung im Tiefbassbereich dienen.
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Die und b zeigen die Frequenzverläufe des Basschassis Mivoc AWM 124
- • in der Simulation mit dem Simulationsprogramm von A. J. Horn ( , bezogen auf ein einzelnes Chassis Mivoc AWM 124 in geschlossener Box mit 1/6 des Volumens des Versuchsgehäuses W1) und
- • gemessen im Raum mit 6 Chassis Mivoc AWM 124 im Versuchsgehäuse W1 ( , wobei der obere Graph eine Messung in 2 cm Abstand vor einem der Chassis darstellt, also Raumeinflüsse sich nur sehr begrenzt, wenn überhaupt, auf den Frequenzgang auswirken.
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Es zeigt sich, dass der simulativ vorhandene, konstante Schalldruckabfall unterhalb der Resonanzfrequenz fc von ca. 73 Hz (s. Impedanzspitze) immerhin ca. 23 dB von 80 Hz auf 20 Hz beträgt, während der gemessene Schalldruckabfall des W1 maximal 4 dB beträgt. Auffällig ist auch, dass die in der Simulation auftretende Resonanzüberhöhung deutlich geringer ausfällt. Der Frequenzgang ist ein Beleg für die Effektivität des Konzepts.
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Das Konzept bewirkt zudem eine starke Verminderung von Gehäuseresonanzen durch die rotationssymmetrische Anordnung der Basschassis im Gehäuse auf 3 Achsen, die jeweils senkrecht aufeinander stehen mit einem gemeinsamen Schnittpunkt im Mittelpunkt des Gehäuses. Auf jeder der drei Achsen liegen je zwei Basschassis diametral zueinander. Die seitens der Chassis beim Einschwingen der Membranen auf das Gehäuse wirkenden Kräfte heben sich gegenseitig auf. Auch dies ist ein Grund dafür, dass die Chassis baugleich sein müssen.
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Vorteile
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Vorausgesetzt, es werden geeignete Chassis eingesetzt (s. Z. 82ff), hat der dem Antrag entsprechende Basslautsprecher gravierende Vorteile:
- • Der Schalldruckabfall zu tiefen Frequenzen hin ist deutlich vermindert.
- • Verglichen mit der Membranfläche ist das Gehäuse äußerst klein.
- • Es lassen sich sehr hohe Schalldrücke bei tiefen Frequenzen mit in Relation kleinen Gehäusen realisieren.
- • Bei gleichem Schalldruck im Tiefbass genügen deutlich geringere Membranhübe, was Klirrgrad und Impulsverhalten stark verbessert.
- • Die auf das Gehäuse wirkenden mechanischen Kräfte heben sich bei der vorgegebenen Anordnung der Chassis gegenseitig auf, wodurch das Gehäuse erheblich weniger zum Mitschwingen und damit zum Verschmieren von Impulsen angeregt wird.
- • Der Würfel-Basslautsprecher kann frei im Raum aufgestellt oder auch aufgehängt werden, eine Anordnung nahe einer Wand für eine kräftigere Bassabstrahlung ist nicht notwendig.
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Anwendungsbeispiele
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Der zum Patent angemeldete 3-Achsen-Basslautsprecher lässt sich in vielen verschiedenen Anwendungsbereichen vorteilhaft einsetzen.
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Wegen der Resonanzfreiheit und geringen Größe im Verhältnis zum Schalldruck im Tiefbassbereich ist er hervorragend geeignet für Hifi-Anwendungen. Hier kann er als zusätzlicher Subwoofer zu den Stereolautsprechern dienen (in 2.1-Anwendungen). Er ist auch in Stereoausführung mit eigenen Gehäusen einsetzbar, um den Bassbereich bei Stereo-Mittelhochton-Lautsprechereinheiten abzudecken. Zudem besteht die Möglichkeit, ihn bei zwei durch einen Abstandshalter miteinander verbundenen separaten Gehäuseteilen direkt in die Stereoboxen zu integrieren.
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Im besonderem Maße prädestiniert ist der 3-Achsen-Basslautsprecher als Subwoofer für Heimkinoanwendungen (in z. B. 5.1-Anwendungen), wenn man trotz des hier erforderlichen hohen unverzerrten Schalldrucks im Tieftonbereich eine wohnraumfreundliche Größe anstrebt.
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In kommerziellen Bereichen wie z. B. Kino oder Diskotheken würde der 3-Achsen-Basslautsprecher bei Verwendung von großen 15"- oder 18"-Basschassis (denkbar auch in vielfacher Ausführung, auch mit Abstandshaltern übereinander angeordnet) einen im Verhältnis zu seinem Platzverbrauch weit überdurchschnittlichen Schalldruck im Tiefbassbereich erzeugen, was auch eine Lösung für etwaige Aufstellungsprobleme sein kann. Nicht geeignet ist er allerdings für Konzertveranstaltungen wie z. B. Rockkonzerte, bei denen die Musiker darauf angewiesen sind, dass auch der Bassbereich von der Bühne weg auf die Zuschauer gerichtet abgestrahlt wird.
