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Schallwandler in Form eines Linienstrahlers
zur Erzeugung und Abgabe von pulsierenden Zylinderwellen.
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Die vorliegende Erfindung betrifft
einen Schallwandler in Form eines Linienstrahlers zur Erzeugung und
Abgabe pulsierender Zylinderwellen.
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Allgemein breitet sich Schall kugelförmig aus
und verliert pro Entfernungsverdopplung 6 dB an Schalldruck. Für große Entfernungen
reicht im Normalfall ein Lautsprecher nicht aus. Daher werden sogenannte „ Cluster" mehrerer Lautsprecher
gebildet, um größere Entfernungen
zu überbrücken. Damit
wird zwar eine effektive Erhöhung
der Lautstärke
erreicht, aber der Schalldruck nimmt immer noch um 6 dB pro Entfernungsverdoppelung
ab. Interferenzen der einzelnen Schallquellen untereinander sind
dabei nicht zu vermeiden. Mehrere übereinander oder nebeneinander „gestackte" Lautsprecher werden
also nicht als ein Lautsprecher wahrgenommen. Um das jedoch zu erreichen,
müssen
die einzelnen Schallwandler akustisch gekoppelt werden, nach Möglichkeit über den
gesamten Frequenzbereich.
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Die akustische Kopplung von Schallwandlern
ist jedoch abhängig
von der Entfernung der Wandler zueinander und von der Frequenz.
Der Abstand der Schallwandler zueinander (von Mittelpunkt zu Mittelpunkt
) entspricht einer bestimmten Wellenlänge (λ). Unterhalb dieser Frequenz
ist die Kopplung möglich,
oberhalb dieser Frequenz nicht mehr.
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In dem Bereich, in dem die Kopplung
erfolgt, breiten sich die Schallwellen nicht mehr kugelförmig (sphärisch),
sondern als kohärente
Schallwellen, zylinderförmig
aus. (s. 1). Bildlich
liegt ein pulsierender Zylinder vor der „Schallzeile" vor.
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Die mathematischen Grundlagen hierfür finden
sich bei M. Urban et al., „Sound
Fields Radiated by Multiple Sound Source Arrays", 1992, 92. AES – Convention, Wien.
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Frequenz und die Länge der
Schallzeile bestimmen, wie weit der Schallzylinder in den Raum reicht. Danach
bricht der Zylinder auf und der Schall breitet sich wieder kugelförmig aus.
Diese beiden Bereiche werden von den vorgenannten Autoren „ Fresnel-Region" (für die Region
der Zylinderwelle) bzw. „ Fraunhofer-Region" (für die Region
der Kugelwelle) genannt. In der Fachliteratur haben sich jedoch
hierfür
die Begriffe „ Nahfeld" bzw. „Fernfeld" eingebürgert.
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Stellt man sich also die Zylinderwelle
als pulsierenden Zylinder vor der Schallzeile vor, (s. 2) so unterscheidet sich
dieser in zwei wesentlichen Punkten von der sphärischen Ausbreitung:
- 1.) Die gesamte Fläche schwingt in vertikaler
Richtung als eine Einheit und strahlt somit eine kohärente Schallwelle
ab.
- 2.) Im Unterschied zu einer Kugelwelle, die pro Entfernungsverdoppelung
6 dB an Schalldruck verliert, nimmt die Zylinderwelle lediglich
um 3 dB pro Entfernungsverdoppelung ab, was besonders bei der Überbrückung großer Distanzen
ins Gewicht fällt.
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Da eine akustische Kopplung von Schallwandlern
nur dann stattfindet, wenn der Abstand zwischen den Wandlern ( von
Mittelpunkt zu Mittelpunkt ) kleiner ist als die Wellenlänge, ist
dies unproblematisch, sofern die Frequenzen bis zu 1,5 kHz ( λ = 22,66
cm ) betragen. Eine Menge von 8" – Treibern
(⌀ ca.
21 cm ) koppelt also unterhalb von 1,5 kHz zu einem Linienstrahler.
Für den
Mittelhochtonbereich werden heutzutage üblicherweise 1,5'' oder 2''-
Druckkammertreiber eingesetzt, deren Durchmesser auch bis zu 18
cm ( z. B.: 2'' -Treiber BMS 4590,
18 cm ⌀ oder
1,5" – Treiber
ND1480 von Eighteen-Sound, ⌀ =
13 cm ) sein können.
Durch diese physischen Größen der
Treiber werden die Grenzen gesetzt, oberhalb derer eine Kopplung
auf diesem Weg nicht mehr möglich
ist.
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Um dennoch in diesen Frequenzbereichen
eine Kopplung zu ermöglichen,
werden sogenannte „Waveguides" , eine Art Wellenformer,
verwendet, beispielsweise von JBL ( s. 3 ) ( JBL Professional, 8400 Balboa Blvd.,
Northridge. CA 91329, USA.) Diese waveguides formen die ursprünglich sphärischen
Wellen eines oder mehrerer Treiber in eine ebene Welle um. Siehe
hierzu: A. Goertz, „ Theoretische
Grundlagen zur Anwendung von Line Arrays in der modernen Beschallungstechnik" , www.anselmgoertz.de.
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Ein zusätzlicher Bestandteil heutiger
Line-Arrays ist die Möglichkeit,
abweichend vom Ideal des geraden Linienstrahlers, die Schallzeilen
zu „ biegen" , was allgemein
als „ curving" bezeichnet wird.
Line-Arrays werden meist dazu benutzt, um größere Entfernungen zu überbrücken. Um
dies ungehindert machen zu können,
werden sie nach Möglichkeit
hoch gehängt
ins freie Schallfeld. Das kann dazu führen, daß die unmittelbar davor oder
darunter liegenden zu beschallenden Bereiche nicht von der Zylinderwelle
erfasst werden. deswegen werden die Line-Arrays nach unten hin zunehmend
gebogen. Mit diesem „curving" geht jedoch zum
Teil ein Leistungsabfall einher.
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Die Waveformer sind in ihrer Konstruktion
sehr aufwendig. Die dazugehörigen
Kompressionstreiber können
sehr schwer werden. Konventionelle 2''-
Treiber, wie z.B. der o.g. BMS 4590 wiegen bis zu 9 kg, während neuere
Treiber mit Neodym Magneten immer noch ein Gewicht von 3 kg/Stck.
wiegen. Einige Line-Arrays werden zudem mit mehreren dieser Treiber
bestückt,
um den gewünschten
Effekt zu bekommen. Zu dem Gewichtsfaktor kommt dann noch der Kostenfaktor
hinzu, denn gerade die Kompressionstreiber sind relativ teuer. Diese
Kompressionstreiber werden unterhalb ihrer Grenzfrequenz durch Membranlautsprecher
(z.B. die oben bereits angeführten
8''er) ergänzt. Diese
wiederum sind im Normalfall erheblich leiser als die Druckkammertreiber,
so daß der
relativ hohe Schalldruck der Treiber aktiv oder passiv an das Pegelniveau
der Membranlautsprecher nach unten angepasst werden muß. Es müssen also
sehr viel Gewicht und hohe Kosten eingesetzt werden, um den erreichten
Pegel wieder abzusenken.
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Gewöhnlich erreicht ein einziges
Modul solcher Line-Array – Systeme
ein Gewicht von ca. 90 kg oder mehr. (z.B.: EAW KF 760). Da Line-Arrays
im Normalfall nicht mehr aufgestellt, sondern aufgehängt werden müssen, ergibt
sich durch die berechtigt hohen Sicherheitsanforderungen ein immens
hoher technischer, organisatorischer und finanzieller Aufwand an
den Gehäusen
und an der entsprechenden „ Flying-Hardware" .
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Durch den hohen Materialeinsatz wird
auch die optische Erscheinung geprägt. So sind die Abmessungen
z.B. des X-Line- Moduls von Electro-Voice: ca: 49,4 × 124 × 74 cm,
(N × B × T) bei
einem Gewicht von ca. 116 kg. (s. 4).
(EVI Audio, Buchanan, Michigan, USA).
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Bei einer Schallzeilenlänge von
ca. 5m ( entspricht etwa 10 Module) ergibt sich immerhin eine Fläche von
ca. 6m2 bei einem handzuhabenden Gewicht
von 1.160 kg.
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Es sind Module bekannt, wobei die
waagerechten Flächen
der einzelnen Module nicht nach hinten konisch zulaufen, so daß beim sog. „curving" die Gehäuse vorne
auseinanderklaffen, die Zylinderwelle aufbricht und in sphärische Wellenfronten übergeht
und somit wirkungslos ist.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden
Erfindung, die vorgenannten Nachteile des Standes der Technik zu
vermeiden und einen Schallwandler in Form eines Linienstrahlers
zur Erzeugung und Abgabe von pulsierenden Zylinderwellen zur Verfügung zu
stellen, der ein breites Frequenzspektrum umfaßt, beim Hören die akustische Wahrnehmung
als aus einer Schallquelle stammend, vermittelt, konstruktiv einfach
gestaltet ist, geringes Gewicht und Raumbedarf aufweist und kostengünstig herstellbar
ist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch
einen Schallwandler in Form eines Linienstrahlers mit den Merkmalen
der Ansprüche
gelöst.
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Das im folgenden geschilderte Schallzeilenmodul
dient als Fallbeispiel für
die Realisierbarkeit der vorher angeführten Kriterien. (s. 5)
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Das Grundmodul beinhaltet zwei Bassmittelton
Lautsprecher mit einem Durchmesser von je 13,5 cm. (5.1). Sie werden
so dicht wie möglich
aneinander montiert. Sie werden von hinten gegen die Frontplatte
(5.2) montiert, die gerade so groß ist, daß die beiden Lautsprecher darauf
Platz finden. (13,5 × 27
cm). Die Schallwandöffnungen
der einzelnen Schallwandler werden nach vorne hin als Trichter ausgeführt, (5.3)
so daß von den
367 cm2 Schallwand ca. 80% (286 cm2) reine Schallabstrahlfläche sind. Der Abstand der beiden
Wandler von Mittelpunkt zu Mittelpunkt beträgt 13,5 cm, (5.4) was einer
oberen Kopplungsfrequenz von etwas mehr als 2.500 Hz entspricht.
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In der Längsachse der Frontplatte wird
eine ca. 34 mm breite und ca. 5mm tiefe Nut mittig über die ganze
Höhe der
18 mm dicken Frontplatte gefräst.
Sie dient als Aufnahme für
eine ebenso große
Platine, auf der 8 Hochtöner
(5.5) mit einem Durchmesser von je 33,5 mm dicht aneinander in Zeilenform
montiert und direkt auf der Platine verkabelt und angeschlossen
werden. Vor diese Hochtonzeile wird jetzt noch eine Platine montiert,
(5.6) in die für
jeden einzelnen Hochtöner
noch ein Schalltrichter eingefräst
ist. (5.7) Somit ist die Hochtonzeile coaxial zu der Bassmitteltonzeile
angebracht und entspricht so dem Ideal der „einen" Schallquelle und zwar für den gesamten
Frequenzbereich von 80 – 22.000
Hz, den das System überträgt. (s. 6). Die elektrische Trennung
von Bassmitten- und Hochtonlautsprechern geschieht mittels eines
passiven.
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Netzwerkes, das im Inneren des Gehäuses untergebracht
ist, bei 3.600 Hz mit 12 dB/Oktave. (Kann wahlweise auch mit aktiven
Filtern geregelt werden). Da somit der Schalldruck der Hochtöner unterhalb
von 3.600 Hz um mindestens 12 dB/Okt. abfällt, wäre ein nahtloser Übergang
zu der oberen Koppelfrequenz der Bassmittenlautsprecher (2.500 Hz)
nicht optimal gewährleistet.
Durch die jedem Hochtonschallwandler vorgeschalteten Schalltrichter
wird der Pegel der Hochtöner
jedoch in diesem Bereich akustisch so „hochtransformiert, daß ein nahtloser Übergang
der zu koppelnden Frequenzbereiche realisiert wird, ohne die Treiber
elektrisch mehr zu belasten. (s. 7).
Ein solches Modul wiegt ca. 6 kg.
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Durch die zeilenförmige Anordnung aller Schallwandler
beinhaltet jedes dieser Module bereits die charakteristischen Merkmale
eines
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Linienstrahlers. Um daraus ein Line-Array
zu konfigurieren, dessen Zylinderwelle weiter in den zu beschallenden
Raum reicht, müssen
jetzt lediglich – nach
den räumlichen
Vorgaben – entsprechend
viele dieser Module in einer Linie aneinander gereiht werden. Der
Bereich der Zylinderwelle, wie bereits vorher erwähnt auch „Nahfeld" genannt, berechnet
sich nach der Formel: R = L
2/2λ. (L = die
Länge der
Zeile in Metern und λ =
die zu betrachtende Frequenz in Metern). Wie man erkennen kann,
ist dies abhängig
von der jeweils betrachteten Frequenz. Nimmt man acht der oben beschriebenen
Grundmodule als Beispiel, hat man einen Linienstrahler von ca. 2,40
m Länge.
(s.
8). Daraus ergibt
sich rechnerisch eine Ausdehnung der Zylinderwelle für
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Daraus läßt sich u.a. ableiten, daß bereits
mit relativ kurzen Linienstrahlern für hohe und mittlere Frequenzen
große
Entfernungen überbrückt werden
können
und daß man,
will man dieselbe Entfernung auch für tiefe Frequenzen erreichen,
den Linienstrahler entsprechend lang machen muß.
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Eine andere Schlussfolgerung daraus
ist die, daß ein
Linienstrahler, zumal wenn er im ganzen Frequenzbereich arbeitet,
unterhalb einer Länge
von 1,20 m kaum einen Sinn macht. Deswegen ist es sinnvoll, die
Schallwandler aus vier der oben beschriebenen Grundmodule in einem
Gehäuse
zusammen zu fassen. (s. 9).
Auch noch größere Baugruppen
sind realisierbar. Bei der geringen Baugröße und dem geringen Gewicht
erhält
man eine Schallzeile von ca. 1,20 m Länge bei einem Gewicht von ca.
24 kg. Das ist eine Größenordnung,
die immer noch leicht von einer Person gehandhabt werden kann und
bringt eine nochmalige Reduzierung an Gewicht und Kosten. Die anfangs
beschriebenen Grundmodule kann man zwar dafür genau so gut einsetzen, eignen
sich aber in diesem Zusammenhang besonders als „Curving-Module". Darauf werde ich
an anderer Stelle noch genauer eingehen.
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Eine weitere Ableitung aus der oben
aufgestellten Tabelle ist folgende:
Will man mit einem Linienstrahler
eine Zylinderwelle mit einem breiten Frequenzspektrum über eine
vorher genau definierte Entfernung bringen, so wird diese Entfernung
nie von allen Frequenzen gleichermaßen erreicht. Für ein Line-Array
von 2,40 m Länge
zum Beispiel hat das „ Nahfeld" für 2.400
Hz eine Ausdehnung von 20,32 m, für 4.800 Hz aber bereits die
doppelte. (s. 10). Wenn
am Ende dieses angenommenen Schallfeldes von ca. 20 m zum Beispiel
eine reflektierende Wand steht, würden die Frequenzen oberhalb
2.400 Hz, deren Zylinderwelle ja zum Teil erheblich weiter reicht,
dort reflektieren und sich als Störschall negativ bemerkbar machen.
Umgekehrt bedeutet das, wenn man die notwendige Länge der
Schallzeile für
die Frequenzen um 4.800 Hz berechnet, würde die Zylinderwelle für 2.400
Hz bereits nach der Hälfte
der eigentlich zu überbrückenden Distanz
zu einer sphärischen
Wellenfront aufbrechen, mit den schon geschilderten negativen Eigenschaften – Interferenzerscheinungen
und ein Pegelabfall von 6 dB anstatt nur 3 dB pro Entfernungsverdoppelung
bei der Zylinderwelle. Durch die coaxiale und weitgehenst modulare
Bauweise meiner Linienstrahler kann man jedoch genau vorausberechnen,
wie lange zum Beispiel die Hochtonzeile sein muß, um dieselbe Ausdehnung als
Zylinderwelle zu erreichen wie z.B die Mitteltonzeile. Dies ist
eine weitere Möglichkeit
der Klangoptimierung und erheblicher Kostenreduzierung, die sich
durch den Aufbau der einzelnen Module mit kleinen und kleinsten Schallwandlern
ergibt.
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Die Gehäuse der Linienstrahler können grundsätzlich aus
jedem Material gefertigt werden. Im vorliegenden Fallbeispiel sind
die Gehäuse
aus Multiplex-Holz gebaut. Die Frontplatte hat eine Stärke von
18 mm, alle anderen teile sind 12 mm stark. Die Abmessungen der
Frontplatte sind durch die Abmessungen der Lautsprecher festgelegt,
wie bereits vorher geschildert. Somit sind Breite und Höhe der Gehäuse-Innenabmessungen
definiert. Das Netto-Gehäusevolumen
wird nun durch die Gehäusetiefe
festgelegt. Sie wird so gewählt, daß die eingebauten
Bassmittelton-Lautsprecher bis in den Bass hinein arbeiten können, egal,
ob das Gehäuse
geschlossen oder mittels entsprechend dimensionierter Reflexöffnungen
abgestimmt wird. Im Falle des Grundmoduls mit zwei Bassmitteltonlautsprechern
ergibt sich so eine Tiefe von ca. 25 cm. Stellt man das Gehäuse so,
daß die
Lautsprecher auf einer senkrechten Achse stehen und betrachtet nun
das Gehäuse
von der Seite, sieht man, daß die
waagerechten Flächen
(Oben und Unten ) nach hinten konisch aufeinander zu laufen und
zwar mit einem Winkel von je ca. 5°. Das dient dazu, daß man die
einzelnen Gehäuse
untereinander abwinkeln („curven") kann, ohne daß die einzelnen
Gehäuse
dann vorne auseinander klaffen. (s. 11).
Dieses würde
nämlich
bedeuten, daß die
Schallzeile unzulässig
unterbrochen würde
und somit die Ausbreitung einer durchgehenden Zylinderwelle nicht
möglich
wäre. Die
Vorderkanten der Gehäuse
bilden beim „curven" die Achse, um die
diese Module gedreht werden können.
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Um die einzelnen Gehäusemodule,
gleich ob Grund- oder Mehrfachmodule, untereinander zu verbinden,
habe ich eine Metallplatte entwickelt, die an beiden Gehäuseseiten
angebracht wird. (s. 12).
Sie ist von der Form her auf die Drehachse ausgerichtet und enthält 4 Längslöcher, die
auf zwei verschiedenen Radien um die Achse liegen und durch ihre
Länge sowohl
den minimalsten als auch den maximalsten Drehwinkel bestimmen. Diese
Platten werden mit Schrauben fixiert, die ihr Gegenstück als fest
montiertes Metallgewinde auf den Innenseiten der Boxen finden. Dadurch
ist sowohl eine einwandfreie Verbindung als auch ein stufenloses
curving der einzelnen Gehäuse
untereinander gewährleistet.
Diese Platten, von denen jede einzelne eine Box mit der jeweils
nächsten
verbindet, können
untereinander noch mit Stahlprofilen verbunden werden, so daß alle anfallenden
Lasten durch die an den Gehäuseaußenseiten
liegenden Verbindungsprofilen abgefangen werden.
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Da Line-Arrays sich aufgrund ihrer
akustischen Merkmale gerade für
die Überbrückung großer Entfernungen
anbieten, werden sie nach Möglichkeit
weit genug über
die Köpfe
des Auditoriums „geflogen" , um im freien Schallfeld
zu sein. Dieses kann aber bedeuten, daß die Zylinderwelle über die
Köpfe der
ersten Zuhörerreihen
hinweggeht, weil dieser Bereich im toten Winkel des Schallzylinders
liegt. Deswegen ist es wichtig, daß die einzelnen Module eines
Linienstrahlers die Möglichkeit
bieten, die Linie biegen („curven") zu können. (s. 13). Dieses Biegen geht
zwar mit einem Leistungsabfall einher, der jedoch im Normalfall
erwünscht
ist, da der Abstand zu den Zuhörern
in diesen Bereichen erheblich geringer ist.
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Der Hauptanspruch der Erfindung besteht
darin, Linienstrahler zu erstellen, die über den gesamten Bereich des
menschlichen Hörvermögens – und darüber hinaus – kohärente Schallwellen
erzeugen, die sich im Raum nicht mehr sphärisch, sondern als pulsierende
Zylinderwellen ausbreiten. Dazu setze ich Schallwandler in verschiedenen
Größen ein
bis hin zu kleinen und kleinsten Wandlern für mittlere, hohe und höchste Frequenzen.
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Es ist allgemein bekannt, daß Zeilenanordnungen
gleich großer
Schallwandler unter bestimmten Voraussetzungen zu einer kohärenten Schallwelle
koppeln können.
Diese Kopplungsfähigkeit
ist abhängig
von der Größe der Wandler
und dem damit kleinst möglichen
Abstand zueinander, von Mittelpunkt zu Mittelpunkt gemessen. Dieser
Abstand entspricht einer bestimmten Wellenlänge λ(Frequenz). Unterhalb dieser
Frequenz kann die Kopplung funktionieren, oberhalb dieser Frequenz
nicht mehr.
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Dieses Prinzip bildet auch die Grundlage
meiner Erfindung. Üblicherweise
werden in der professionellen Beschallungstechnik für den Mittelhochtonbereich
jedoch Druckkammertreiber eingesetzt, deren – relativ zur Wellenlänge – große Durchmesser
eine Kopplung hoher Frequenzen nicht ermöglicht. Aus diesem Grunde werden
allgemein für
diesen Frequenzbereich sogenannte „waveguides" entwickelt und eingesetzt,
in denen die sphärischen
Schallwellen der Treiber in eine möglichst kohärente Wellenform gebracht werden.
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Das Besondere meiner Erfindung ist
dadurch gekennzeichnet, daß ich
auch in diesem Frequenzbereich kleinere und kleinste Schallwandler
einsetze. Der kleinste, mir bisher bekannte Schallwandler, der auch in
meinem vorher geschilderten Fallbeispiel zum Einsatz kommt, hat
einen Durchmesser von 33,5 mm. Die Erfindung schließt jedoch
noch kleinere, die es möglicherweise
bereits gibt oder in Zukunft noch entwickelt werden, mit in die
Erfindung ein. Diese können
dann auch noch wegen ihrer geringen Baugröße coaxial vor den jeweils
größeren angebracht
werden. Daraus ergeben sich extrem kompakte Module, die sich leicht
handhaben lassen. Zudem sind sie leicht zu curven und können in
Baugruppen verschiedener Größe zusammengefasst
werden.
