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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schallaufnehmeranordnung an einer Außenwand eines Objekts, vorteilhaft einer Fahrzeugaußenwand.
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Mikrofone werden im Automobilbereich häufig verbaut, um eine Kommunikation zwischen Fahrzeuginsasse und dem Fahrzeug oder einem im Fahrzeug vorhandenen Gerät zu ermöglichen, um dieses zu steuern. Beispielsweise sind Mikrofone an einem geeigneten Bereich im Innenraum des Fahrzeugs verbaut, die es ermöglichen, dass der Insasse verbal mit dem Navigationsgerät, Telefon oder anderen Assistenzsystemen im Fahrzeug kommuniziert. Diese Mikrofone sind Innenraum-Mikrofone, welche speziell für die Situation im Innenraum eines Fahrzeugs gebildet sind. Sie können beispielsweise als Richtmikrofon gebildet sein, um Störgeräusche möglichst auszuschließen.
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Zukünftig wird eine Kommunikationsmöglichkeit von außerhalb des Fahrzeugs mit dem Fahrzeug immer wichtiger werden. Insbesondere gilt dies für den Bereich des autonomen Fahrens, da hier kein Fahrer mehr vorhanden ist. Bereits beim hochautomatisierten Fahren kann eine Kommunikation z.B. von Passanten mit dem Fahrzeug für mehr Sicherheit sorgen. Außerdem kann eine Überwachung von Fahrzeugkomponenten von außen auch während des Fahrbetriebs vorgesehen sein. Nachteilig bei Schallaufnehmern wie Außenmikrofonen ist, dass sich Umgebungseinflüsse negativ auf die Qualität der Aufnahme des Schallaufnehmers auswirken können oder den Schallaufnehmer bzw. dessen Membran unter bestimmten Umständen auch beschädigen oder zerstören können. Außerdem können Störgeräusche aufgrund der Anströmung durch den auf den Schallaufnehmer bzw. dessen Membran auftreffenden Luftstrom erzeugt werden, die eine Beeinträchtigung der Qualität der Aufnahme von zu erfassenden Geräuschen darstellen.
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Die
JP 2018 -
26 666 A offenbart eine Kameraeinrichtung. Auf einer Gehäuseoberfläche dieser ist ein Stufenteil schräg zur Innenseite eines Gehäuses vorgesehen. Das Stufenteil hat ein vertikales Wandteil, das in einer Richtung angeordnet ist, die sich mit einer Bewegungsrichtung eines beweglichen Körpers schneidet, an dem die Kameravorrichtung befestigt ist. Das vertikale Wandteil hat eine Schallsammelöffnung zur Rückseite in Bewegungsrichtung.
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Eine Aufgabe dieser Erfindung ist es deshalb, eine Schallaufnehmeranordnung an einer Fahrzeugaußenwand bereitzustellen, welche eine verbesserte Reduzierung von Störgeräuschen ermöglicht. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Vorgeschlagen wird eine Schallaufnehmeranordnung, aufweisend einen Schallaufnehmer mit einer schallaufnehmenden Membran, sowie eine in einer Außenwand eines Objekts gebildete und in Richtung einer Innenseite der Außenwand ausgeformte Kavität mit einer an der Außenwand gebildeten Öffnung. Der Schallaufnehmer ist derart an oder in der Kavität angeordnet, dass die schallaufnehmende Membran Schallwellen, welche in die Kavität gelangen, aufnehmen kann. Die Kavität weist eine Form auf, die derart gebildet ist, dass zur Öffnung anströmende Luft derart in der Kavität umgelenkt wird, dass innerhalb der Kavität ein strömungsfreier Bereich entsteht, wobei zumindest die schallaufnehmende Membran in dem strömungsfreien Bereich in der Kavität angeordnet ist.
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Vorteilhaft ist die Außenwand des Objekts eine Fahrzeugaußenwand, weshalb die nachfolgende Beschreibung anhand eines Fahrzeugs erfolgt. Schallaufnehmer wie Außenmikrofone für Fahrzeuge können verwendet werden, um Geräusche außerhalb des Fahrzeugs aufzunehmen und zu verarbeiten, um z.B. einen Defekt zu erkennen oder um beim (hoch-)automatisierten oder autonomen Fahren die Umwelt zu beobachten. Selbst bei nicht automatisiert fahrenden Fahrzeugen können solche Schallaufnehmer verwendet werden, z.B. um Geräusche von Reifen aufzunehmen und dadurch eine Überwachung des Zustands des Reifens bereitzustellen. Ziel ist es, Störgeräusche möglichst zu eliminieren und das Mikrofon vor Beschädigung durch Umgebungseinflüsse zu schützen. Dasselbe gilt auch, wenn der Schallaufnehmer nicht als Luftschallaufnehmer gebildet ist, sondern z.B. als Körperschallaufnehmer beispielsweise in Form eines Beschleunigungssensors.
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Wird ein Schallaufnehmer im Außenbereich eines Fahrzeuges verwendet, so entsteht bei zunehmender Fahrtgeschwindigkeit eine Anströmung durch den Fahrtwind bzw. die auf die Membran des Schallaufnehmers auftreffende Luft. Dieser (Luft-) Druck drückt auf die Membran, so dass die Membran aus ihrer Ruhelage weg von der anströmenden Luft z.B. in Richtung Inneres des Gehäuses des Schallaufnehmers, gedrückt wird. Hierdurch wird der Signal-Rausch-Abstand, kurz SNR (signal to noise ratio) des Mikrofons reduziert. Der Signal-Rausch-Abstand ist ein Maß für die Stärke des Signals relativ zum Hintergrund-Rauschen und wird in Dezibel (dB) gemessen.
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Steigt der auf die Membran wirkende (Luft-)Druck weiter an, wird die Membran immer weiter verschoben, bis sie am mechanischen Anschlag liegt, also z.B. an der Gehäusewand des Mikrofongehäuses, die der Membran gegenüberliegt. Das Mikrofon ist dann nicht mehr in der Lage, akustische Signale zu wandeln. Steigt der Druck weiter an, kann das Mikrofon zerstört werden, d.h. dass z.B. die Membran reißt. Zur Vermeidung einer solchen Beschädigung sind bereits Hinterlüftungen oder andere konstruktive Anpassungen vorgeschlagen, welche zum Druckausgleich dienen.
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Außerdem werden durch eine Anströmung auf die Membran eines Schallaufnehmers, sei es ein Luftschallaufnehmer, z.B. ein Mikrofon, oder ein anderer Schallaufnehmer wie ein Körperschallaufnehmer, z.B. ein Beschleunigungssensor, Geräusche verursacht, welche die gewünschte Schallaufnahme stören und damit möglichst vermieden werden. Das heißt, dass eine Vorspannung der Membran entsteht, welche zu einer Verzerrung der aufzunehmenden Geräusche führen kann.
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Dieses Problem wird durch die vorgeschlagene Anordnung gelöst, indem eine Kavität bereitgestellt wird, welche die Störgeräusche von der Membran des Schallaufnehmers durch Bilden eines im Wesentlichen strömungsfreien Bereichs in ihrem Inneren und Anordnen der Membran darin fernhält.
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In einer Ausführung ist der Schallaufnehmer ein Luftschallaufnehmer, umfassend ein Mikrofon, oder ein Körperschallaufnehmer.
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In einer Ausführung ist die Kavität aus der Außenwand des Fahrzeugs gebildet. Das heißt, dass die Kavität Teil der äußeren Wand bzw. Außenwand des Fahrzeugs ist, z.B. aus der äußeren Wand des Fahrzeugs heraus gebildet ist, z.B. durch ein entsprechendes Umformverfahren. Alternativ ist die Kavität als separates Bauteil gebildet und an der Öffnung in der Außenwand befestigt.
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Erfindungsgemäß ist die schallaufnehmende Membran derart an der Kavität angeordnet ist, dass sie mit der Kavität im Wesentlichen bündig angeordnet ist, d.h. dass sie als Teil des Wandbereichs der Kavität ausgeführt ist.
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Durch eine geeignete Geometrie baut eine in einer Hauptrichtung angeströmte Kavität bzw. Ausnehmung in einer Oberfläche einen konstanten Staudruck vor dem Mikrofon auf. Dieser Staudruck wirkt gegen die anströmende Luft, so dass der Schallaufnehmer, z.B. eine Membran eines Mikrofons, in der Kavität nicht dem Luftstrom ausgesetzt ist. Der Umgebungsdruck wird dem Staudruck angepasst, da der Schallaufnehmer vom Staudruck umgeben ist. Somit entsteht eine Art Luftpolster bzw. ein strömungsfreier Bereich innerhalb der Kavität, der keiner Luftströmung ausgesetzt ist. Somit entstehen auch keine Störgeräusche für die Aufnahme der eigentlich aufzunehmenden Geräusche.
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In einer Ausführung liegt die schallaufnehmende Membran der Öffnung direkt gegenüber. Alternativ ist die schallaufnehmende Membran in einem Winkel zu einer Hauptanströmrichtung von auf die Öffnung auftreffender Luft angeordnet.
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Durch die Wahl der Anordnung des Schallaufnehmers innerhalb der Kavität kann darauf eingewirkt werden, aus welcher Richtung hauptsächlich akustische Wellen auf die Membran auftreffen, so dass Störgeräusche besser bzw. gezielter eliminiert werden.
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In einer Ausführung ist die Kavität symmetrisch oder unsymmetrisch gebildet. Wenn Sie unsymmetrisch gebildet ist, trifft der Luftstrom mit seiner Hauptanströmrichtung nicht direkt in den tiefsten Bereich der Kavität, so dass eine bessere Eliminierung von Störgeräuschen aus bestimmten Richtungen oder eine bessere Eliminierung bestimmter Arten von Störgeräuschen möglich sein kann. Dies ist durch entsprechende Versuche oder Simulationen individuell für jede Kavität und deren Einsatzbereich zu verifizieren.
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In einer Ausführung kann die Kavität als akustische Linse verwendet werden. Das heißt, dass die Kavität im Wesentlichen gedreht zur Hauptanströmrichtung angeordnet ist und damit Schallgeräusche gezielt aus einer bestimmten (Vorzugs-) Richtung aufnehmen kann. Wesentlich ist, dass die Form der Kavität so gewählt ist, dass sie aus einer bestimmten Richtung eintreffende akustische Wellen zum Schallaufnehmer hin lenkt und auch bei geeigneter Form verstärkt, um als akustische Linse zu wirken. Durch Verwenden der Kavität als akustische Linse können Geräusche aus einer vorgegebenen Richtung also gezielter zum Schallaufnehmer bzw. den entsprechenden weiterverarbeitenden Elementen des Schallaufnehmers geführt werden.
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Die Anordnung des Schallaufnehmers innerhalb der Kavität kann ebenfalls von der Wahl der Form der Kavität abhängig sein oder vice versa, da das vorher beschriebene Luftpolster, welches innerhalb der Kavität entsteht, je nach Form der Kavität bis zu einem gewissen Bereich in die Kavität hineinreicht bzw. erst ab einem gewissen Bereich innerhalb der Kavität vorhanden ist. Dies kann wiederum durch Versuche, Simulationen etc. individuell für jedes Fahrzeug und jede Kavität ermittelt werden. Um den beschriebenen Effekt auszunutzen, dass aufgrund des Luftpolsters keine Geräusche auf die Membran des Schallaufnehmers auftreffen, sollte der Schallaufnehmer möglichst innerhalb des Luftpolsters angeordnet sein, vorteilhaft weit entfernt von der Grenze, an der das Luftpolster endet, also wieder eine Anströmung zu erwarten ist.
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Ferner wird ein Verfahren zur Bestimmung der Platzierung der Schallaufnehmeranordnung an einem Objekt, vorteilhafterweise einem Fahrzeug, vorgeschlagen, wobei das Objekt sowie vorgegebene Bereiche der Platzierung an dem Objekt und unterschiedliche vorgegebene Anströmrichtungen festgelegt werden und entweder mittels eines Simulationsprogramms oder mittels Versuchen im Windkanal eine Untersuchung derart erfolgt, dass eine Platzierung an dem Objekt ermittelt wird, welche keine oder Störgeräusche bis zu einem maximal erlaubten Wert auf die Membran auftreffen lässt.
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Die zu verwendende Geometrie hängt von unterschiedlichsten Faktoren ab und wird deshalb individuell für jedes Fahrzeug und jeden Anbringungsort vom Fachmann bestimmt, z.B. mittels Strömungsversuchen im Windkanal oder Simulationen oder einer Kombination daraus.
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Faktoren, welche Einfluss auf die Form der Kavität haben, sind insbesondere die den Schallaufnehmer bzw. die Umgebungsgeometrie umgebende Kontur der Außenwand des Fahrzeugs sowie die Anströmrichtung. Ebenso sind der Anbringungsort, durch welchen die Hauptanströmrichtung festgelegt wird, sowie ein möglicher Winkel zur Hauptanströmrichtung und die Anordnung des Schallaufnehmers innerhalb der Kavität für die Wahl der Form der Kavität heranzuziehen. Als Umgebungsgeometrie wird die Kontur des Objekts, z.B. ein Teil der Fahrzeugaußenwand, in näherer Umgebung der Kavität bezeichnet, der Einfluss auf das Strömungsverhalten bzw. das Anströmverhalten in die Kavität hat.
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Durch die Wahl des Anbringungsortes am Fahrzeug wird die Hauptanströmrichtung festgelegt. Diese ist in der Regel von vorne, da sich das Fahrzeug vorwärts bewegt. Es kann auch eine leicht seitliche Anströmung bei sehr viel Wind erfolgen, wobei dies in der Regel nicht die Hauptanströmrichtung ist.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, anhand der Figuren der Zeichnung, die erfindungsgemäße Einzelheiten zeigt, und aus den Ansprüchen. Die einzelnen Merkmale können je einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination bei einer Variante der Erfindung verwirklicht sein.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert.
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1 bis 4 zeigen unterschiedliche Ausführungen der Anordnung der vorliegenden Erfindung.
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In den nachfolgenden Figurenbeschreibungen sind gleiche Elemente bzw. Funktionen mit gleichen Bezugszeichen versehen.
- 1 und 3 zeigen eine Ausführung der Anordnung, bei welcher der Schallaufnehmer 20, genauer dessen schallaufnehmende Membran 21, als Teil der Wand der Kavität 11 gebildet ist.
- 2 und 4 zeigen dasselbe Prinzip wie 1 und 3, wobei eine Ausführung der Anordnung gezeigt ist, bei welcher der Schallaufnehmer 20 mit seiner schallaufnehmenden Membran 21 und einem Teil seines Gehäuses innerhalb der Kavität 11 angeordnet ist.
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Nachfolgend werden die in den 1 bis 4 gezeigten Ausführungen beschrieben, die sich lediglich wie oben beschrieben in der Anordnung des Schallaufnehmers unterscheiden. Das Objekt, an dem die Kavität 11 und der Schallaufnehmer 20 angeordnet sind, ist nachfolgend ein Fahrzeug. Vorteilhaft kann die vorgeschlagene Anordnung an einem (hoch-) automatisiert oder autonom fahrenden Fahrzeug verwendet werden, aber auch bei nicht automatisierten Fahrzeugen. Der Anwendungsbereich reicht also von der reinen akustischen Überwachung der Umgebung bzw. von Fahrzeugkomponenten bis hin zur akustischen Überwachung zur Unterstützung von (hoch-) automatisierten oder autonomen Fahrfunktionen.
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Die Außenwand A des Fahrzeugs weist die Kavität 11 auf, um durch anströmende Luft L auftretende Störgeräusche zu verringern oder zu eliminieren. Solche Störgeräusche entstehen z.B. durch auftreffenden Fahrtwind, der zu Staudruck und damit zu Störgeräuschen wie Rauschen führen kann, wodurch die Aufnahmequalität für zu erfassende Geräusche bzw. akustische Wellen verschlechtert wird. Die auftreffende Luft L wird in der Kavität 11 so umgeleitet bzw. gestaut, dass ein Luftpolster LP aus im Wesentlichen unbewegter Luft entsteht, wie in den Figuren durch die Wellenlinien angedeutet. Somit wird die schallaufnehmende Membran 21 vor der auftreffenden Anströmung der Luft L geschützt und kann die auftreffenden akustischen Wellen ohne oder mit sehr geringen Störgeräuschen empfangen. Damit wird die Qualität der Erkennung von Geräuschen erhöht.
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Die Kavität 11 ist entweder aus der Fahrzeugwand 10 heraus oder als separates Bauteil gebildet und an der Außenwand 10 des Fahrzeugs befestigt.
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In den 1 bis 4 ist der Schallaufnehmer 20 so angeordnet, dass die schallaufnehmende Membran 21 zur Außenseite A des Fahrzeugs weist. Die Kavität 11 ist zur Innenseite I der Außenwand 10 hin ausgebuchtet, so dass sich die anströmende Luft L in der Kavität 11 verteilen und ein Luftpolster LP bilden kann.
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In 1 und 2 ist der Schallaufnehmer 20 so angeordnet, dass er der Öffnung der Kavität 11 gegenüberliegt, also dessen schallaufnehmende Membran 21 im Wesentlichen parallel zur Außenwand 10 ist. Der restliche Teil des Schallaufnehmers 20 kann entweder vollständig in der Innenseite I vorgesehen sein, oder teilweise in die Kavität 11 hineinragen. Wichtig ist, dass die schallaufnehmende Membran 21 so angeordnet ist, dass sie durch das Luftpolster LP vor Störgeräuschen, welche z.B. durch eine Anströmung durch Luft L, aber auch durch Verwirbelungen erzeugt werden, geschützt ist.
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In 3 und 4 ist der Schallaufnehmer 20 so angeordnet, dass er der Öffnung der Kavität 11 nicht direkt gegenüberliegt. Die schallaufnehmende Membran 21 ist dabei z.B. in einem Winkel W1 oder W2 zu einer gedachten Linie senkrecht zur Außenwand 10 angeordnet, wie in 3 schematisch angedeutet. In den 3 und 4 sind jeweils zwei Schallaufnehmer 20 gezeigt, die in unterschiedlichen Winkeln W1 und W2 angeordnet sind, um zu zeigen, dass die Schallaufnehmer 20 in unterschiedliche Richtungen weisen können. Durch eine solche Anordnung des Schallaufnehmers 20 kann die Kavität 11 als akustische Linse verwendet werden. Um die Wirkung zu verstärken kann auch noch die Form der Kavität 11 angepasst werden. Für spezielle Anwendungen können auch zwei oder mehr Schallaufnehmer in einer Kavität angeordnet sein.
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Grundsätzlich werden auch hier die entsprechenden Parameter durch Simulationen oder Versuche ermittelt und das für die jeweilige Anwendung am besten geeignete Ergebnis verwendet.
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Wie für 1 und 2 bereits erklärt, ist der restliche Teil des Schallaufnehmers 20 entweder vollständig in der Innenseite I vorgesehen, oder ragt teils in die Kavität 11 hinein. Wichtig ist, dass die schallaufnehmende Membran 21 so angeordnet ist, dass sie durch das Luftpolster LP vor Störgeräuschen, welche z.B. durch eine Anströmung durch Luft L, aber auch durch Verwirbelungen erzeugt werden, geschützt ist.
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Die schallaufnehmende Membran 21 kann direkt mit den restlichen Komponenten des Schallaufnehmers 20 verbunden sein, oder über z.B. einen Strömungskanal. Wichtig ist, dass ein Klangkörper gebildet wird.
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Die Form der Kavität 11 ist in den Figuren als abgerundeter Körper gezeichnet, wobei auch andere Formen möglich sind. Beispielsweise können abgerundete Formen wie Tropfenformen, elliptische Formen, oder nicht abgerundete Formen verwendet werden. Die Formen können symmetrisch oder unsymmetrisch, d.h. einseitig mehr oder weniger ausgebuchtet, sein.
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Wie bereits erwähnt, ist die Form abhängig von vielen Faktoren, unter anderem der Kontur der Außenwand 10 des Fahrzeugs sowie der Hauptanströmrichtung. Die Form kann auch als akustische Linse gebildet sein, so dass auftreffende, zu erfassende Geräusche zur schallaufnehmenden Membran 21 fokussiert werden. Hierfür kann die gedreht zur Hauptanströmrichtung angeordnet sein.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Fahrzeugaußenwand bzw. -kontur
- A
- Außenseite der Fahrzeugaußenwand bzw. -kontur
- I
- Innenseite der Fahrzeugaußenwand bzw. -kontur
- 11
- Kavität bzw. Ausnehmung
- 20
- Schallaufnehmer
- 21
- Membran
- L
- anströmende Luft
- LP
- Luftpolster in 11
- W1; W2
- Winkel zwischen Hauptanströmrichtung Luft L und Membran 21
