DE102021003110A1 - Lautsprecherdesign mit Reflektoren zur verbesserten Teilraumbeschallung bei Mehrwege-Lautsprecherboxen - Google Patents

Abstract

2.1 Technisches ProblemFrontal eingebaute Lautsprecherchassis haben die Eigenschaft, dass sie den Schall zu höheren Frequenzen hin gebündelt abstrahlen. Die führt zu einer unnatürlichen Wiedergabe. Demgegenüber haben Rundstrahler das Problem rückwärtiger Reflexionen mit ebenfalls störendem Einfluss. Ideal wäre daher eine ausgeglichene Teilraumbeschallung.2.2 Lösung des ProblemsAls Lösung hierfür wird hier ein Konstruktionsprinzip vorgestellt, mit dem ein Hochtonlautsprecher durch einen reflektierenden Reflexionskörper eine räumlich breitere Abstrahlwirkung erhält. Der Patentanspruch besteht auf einem Konstruktionsmerkmal eines Lautsprechersystems, bei dem ein Lautsprecher den Schall nicht direkt in Richtung der Zuhörer abstrahlt, sondern indirekt über eine reflektierende Anordnung, wie beispielsweise einem Reflektorkegel, dadurch gekennzeichnet, dass der Schall vorzugsweise in den Teilraum der Zuhörenden vor der Lautsprecherbox gerichtet wird. Die Beschallung des rückwärtigen Bereichs soll dadurch gedämpft werden, dass der Reflektor nicht axial und rotationssymmetrisch zur Lautsprechermembran angebracht wird, wie es bei omnidirektionalen Lautsprechern (Rundstrahlern) der Fall ist, sondern versetzt.2.3 AnwendungsgebietDieses Konstruktionsmerkmal dient der Realisierung einer Teilraumbeschallung oder Halbraumbeschallung über einen weiten Frequenzbereich.

Description

• Bereich
• Die Erfindung bezieht sich auf den Bereich der Akustik, speziell der Konstruktion von Mehrwegelautsprechersystemen.
• Stand der Technik
• In Mehrwege-Lautsprechersystemen werden derzeit die einzelnen Lautsprecherchassis vorwiegend so angeordnet, dass sie in Richtung der Zuhörer gerichtet sind. Begründet ist dies durch die mit höheren Frequenzen zunehmende Richtcharakteristik von Lautsprechern, deren Schallpegel meist axial am höchsten ist. Ein Problem besteht darin, dass tiefe und hohe Frequenzen aufgrund der unterschiedlichen Bündelung nur in einem engen Winkelbereich einen ausgeglichenen Frequenzgang aufweisen. Die in den Raum abgestrahlte Schallenergie ist damit ebenso stark frequenzabhängig.
• Eine teilweise Aufweitung des Abstrahlwinkels im Hochtonbereich lässt sich durch Schalllinsen erreichen. Auch das Weglassen einer Schallwand um den Hochtonlautsprecher kann dessen Richtcharakteristik aufweiten, der Einsatz mehrerer Hochtonlautsprecher, oder eines Dipolstrahlers.
• Alternativ gibt es sogenannte omnidirektionale Lautsprecher (Rundstrahlern). Hier gibt es zum einen zirkulär abstrahlende Membrane, die den Schall rotationssymmetrisch um die vertikale Achse gleichmäßig in den Raum abstrahlen. Aber auch klassische Lautsprecherchassis (Konus und Kalottenlautsprecher) können durch senkrechten Einbau mit Hilfe eines senkrecht stehenden Kegels, auf den der Lautsprecher strahlt, als solche Rundstrahler fungieren. Bei diesen Lautsprechern wird auf eine rotationssymmetrische Anordnung der schallabstrahlenden Elemente geachtet. Um eine Klangverfälschung durch nahe Reflexionen zu vermeiden, müssen solche Rundstrahler entweder weit genug (ca. 1m) entfernt von Wänden positioniert werden, oder es können Reflexionen durch Anbringen von schallabsorbierenden Materialien bedämpft werden.
• Probleme bisheriger Systeme
• Technische Probleme gerichteter Abstrahlung: Lautsprecherboxen, welche den Schall in Richtung des Zuhörerraums richten haben systembedingt eine ungleichmäßige Verteilung der Schallpegel in unterschiedliche Richtungen. Während tiefe Frequenzen (meist unterhalb etwa 200 Hz) im Wesentlichen kugelförmig abgestrahlt werden, beginnt oberhalb der sogenannten Baffle-Step-Frequenz eine eher halbkugelförmige Abstrahlung. Mit zunehmender Frequenz ergeben sich jedoch weitere Bündelungseffekte, die im Hochtonbereich oberhalb etwa 5 kHz zu einer stark richtungsabhängigen Lautstärke hoher Frequenzen kommt. Dieser Effekt ist bei großflächigeren Hochtonmembranen, wie z.B. Bändchen oder Air-Motion-Transformern, noch verstärkt, obwohl diese Lautsprecher sonst sehr gute klangliche Eigenschaften aufweisen können. Das bedeutet, dass Lautsprecher üblicherweise auf einen relativ linearen Frequenzgang im Bereich +/-30 Grad zur Hauptausrichtung konzipiert werden. In der Praxis ergeben sich daraus zwei Probleme:
1. 1. Befindet sich diese Lautsprecherbox in einem gut bedämpften Raum, dann funktioniert dieses Prinzip auch zufriedenstellend gut, da die Ohren im Wesentlichen den direkt von der Box abgestrahlten Schall empfangen. Befindet sich ein Lautsprecher jedoch in einem nicht gut bedämpften Raum, so empfängt das Ohr den Direktschall und zusätzlich einen indirekten Anteil aus Reflexionen, die je nach Richtung ein unterschiedliches Frequenzverhalten aufweisen. Dies kann für die Zuhörenden unnatürlich und anstrengend wirken, weil das Geschehen für das Gehör nicht mehr plausibel reproduziert wird. Auch wird dadurch der Ort der Schallentstehung vom Gehör in den Lautsprecher projizierbar, worunter die freie räumliche Wiedergabe des Schallereignisses leidet.
2. 2. Es gibt einen recht engen sogenannten „Sweet Spot“ als diejenige Hörposition, in der eine realistische räumliche Abbildung erlebt werden kann.
• Probleme von Rundstrahlern: Diese Nachteile finden sich zwar bei omnidirektionalen Rundstrahlern nicht in dieser Form, jedoch tritt hier das Problem der vielfachen Reflexionen auf, die zu einem diffusen Klangerleben führen können. Hinzu kommt, dass meist gerade die Hochtonlautsprecher an Schalldruck verlieren, da die Schallenergie aus einem Teilbereich in den vollen 360° Raum verteilt wird.
• Die Erfindung zielt darauf ab, alle hier beschriebenen Effekte zu minimieren.
• Lösung
• Die Lösung eines idealeren Lautsprechers wäre demnach ein Teil- oder Halbraumstrahler mit einem ausgeglichenen Frequenzgang in allen Raumrichtungen. Auf die Verwirklichung dieses Ziels bezieht sich die hier beschriebene Erfindung. Dies kann annähernd erreicht werden mit der folgenden Vorrichtung.
• Da der Mitteltonlautsprecher bereits ein gutes Abstrahlverhalten im Halbraum aufweist, kann dieser wie üblich auf der Front in Richtung der Zuhörenden gerichtet eingebaut werden. Der Hochtonlautsprecher wird dagegen senkrecht nach oben oder unten abstrahlend angeordnet, eventuell auch in schräger Lage. Wesentlich für die Erfindung ist jedoch, dass der vom Hochtonlautsprecher abgestrahlte Schall durch einen Reflektor, der off-axis über dem Hochtonlautsprecher angeordnet ist, den Schall in den Teilraum in Richtung der Zuhörenden reflektiert wird. Als Reflektor wir vorzugsweise ein Kegel verwendet.
• Realisierungsbeispiel
• Als Hochtonlautsprecher wird ein Airmotiontransformer mit einer großen abstrahlenden Fläche und einem hohen Wirkungsgrad von etwa 94 dB/Watt/m gewählt. Der hohe Wirkungsgrad bewirkt einen ausreichend hohen Schallpegel auch noch bei Aufweitung des Abstrahlwinkels. Die großflächige Membran bewirkt zusätzlich, dass auf den Kegel eine annähernd ebene Welle auf den Reflektor trifft. Über der abstrahlenden Fläche wird ein Kegel mit etwa 16 cm Durchmesser aus festem, hart reflektierendem Material (z.B. Beton) aufgesetzt. Die Spitze kann abgestumpft sein und sitzt am hinteren Rand der abstrahlenden Fläche, so dass der Schall vorwiegend auf die vordere Hälfte des Kegels gerichtet und damit in den vorderen Halbraum abgestrahlt wird. Die Anpassung der Phasenlage zum Mitteltonlautsprecher kann zum einen durch das Design der Frequenzweiche justiert werden, zum anderen durch die Lage des Hochtonlautsprechers in der Achse der Abstrahlrichtung des Mitteltöners (vorne- hinten). Des Weiteren ist die exakte Position des Kegels wesentlich für eine gleichmäßige Abstrahlung (siehe ). Die Abstrahlwirkung in der Draufsicht von oben ist in dargestellt.
• Technisches Ergebnis: Daraus konnte für alle Richtungen im Bereich von etwa 60° vor der Box ein Frequenzgang mit Abweichungen von maximal etwa 5dB vom mittleren Schalldruck im Bereich zwischen 200 Hz und 20 kHz realisiert werden. Den Frequenzgang in verschiedenen Raumrichtungen zeigt . Dabei liegt die stärkste Absenkung aufgrund der Bündelung im Bereich des Mitteltonlautsprechers bei 1,5 kHz, da der Hochtonlautsprecher bei ca. 2 kHz abgetrennt wurde. Eine tiefere Trennfrequenz könnte vorteilhaft sein. Erst hinter der Box (>90°) fällt der Hochtonpegel oberhalb 7 kHz steiler ab, ein durchaus erwünschter Effekt zur Vermeidung wandnaher Reflexionen. Ein Einbau desselben Hochtonlautsprechers in die Vorderfront würde hingegen zu sehr viel stärkeren Bündelungseffekten führen. Damit ist die Funktionsweise des vorgeschlagenen Konstruktionsmerkmals im Rahmen dieser Erfindung demonstriert.
• Ergebnis in der Anwendungspraxis: Subjektiv wirkt das Klangbild dieser Konstruktion im Vergleich zur klassischen Anordnung sehr viel räumlicher, freier und realistischer bei gleichzeitig präziser räumlicher Abbildung. Dies gilt auch für Hörpositionen außerhalb des sogenannten „Sweet Spot“.

Claims (2)

1. Konstruktionsmerkmal eines Lautsprechersystems, bei dem ein Lautsprecher den Schall nicht direkt in Richtung der Zuhörer abstrahlt, sondern indirekt über eine reflektierende Anordnung, wie beispielsweise einem Reflektorkegel, dadurch gekennzeichnet, dass der Schall vorzugsweise in den Teilraum der Zuhörenden vor der Lautsprecherbox gerichtet wird.
2. Die Beschallung des rückwärtigen Bereichs soll dadurch gedämpft werden, dass der Reflektor nach Patentanspruch 1 nicht axial und rotationssymmetrisch zur Lautsprechermembran angebracht wird, wie es bei omnidirektionalen Lautsprechern (Rundstrahlern) der Fall ist, sondern versetzt. Dieses Konstruktionsmerkmal dient der Realisierung einer Teilraumbeschallung oder Halbraumbeschallung über einen weiten Frequenzbereich.

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