DE1074651B

DE1074651B - Anordnung zur Er zielung der Erweiterung des Frequenz bereiches in Richtung der tieferen Frc quenzen bei akustischen Strahlern

Info

Publication number: DE1074651B
Application number: DENDAT1074651D
Authority: DE
Inventors: Lothar Keibs Berlin-Pankow Dr
Original assignee: Deutsche Post Betnebslaboratorium fur Rundfunk und Fernsehen Ber Im Adlershof
Priority date: 1956-03-08
Publication date: 1960-02-04
Also published as: DE1084764B

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Erzielung der Erweiterung des Frequenzbereiches in Richtung der tieferen Frequenzen bei akustischen Strahlern. Betrachtet man die Frequehzkurve eines solchen Strahlers (akustischer Wandler, Lautsprecher), so ergibt sich, daß unterhalb einer gewissen Frequenz (Resonanzfrequenz) die Abstrahlung nur mit geringer, immer kleiner werdender Schnellamplitude erfolgt und außerdem mit abnehmender Frequenz die abgestrahlte Schalleistung durch gegenphasige Abstrahlung von Vorder- und Rückseite des Systems ausgelöscht wird. Diese Auslöschung läßt sich vermeiden, indem man das einzelne System in eine sogenannte Schallwand setzt. Das hat aber seine Grenzen bei den tieferen Frequenzen durch die dann erforderliehen, ungewöhnlich großen Dimensionen der Schallwand. Man kann aber auch die Auslöschung dadurch vermeiden, daß man das einzelne System in einen geschlossenen Kasten setzt. Der geschlossene Kasten hat den Nachteil, daß durch das eingeschlossene Luftvolumen, das als zusätzliche Steife wirkt, die Resonanzfrequenz des abstrahlenden Systems je nach Größe des Volumens nach einer höheren Frequenz verschoben wird, so daß aus diesem Grunde eine Beeinträchtigung des abgestrahlten Frequenzbereiches nach unten erfolgt.

Zur Verbesserung der Schallabstrahlung in den Tiefen hat man weiterhin schon Schällstrahler verwendet, die aus einem anregenden und einem mit ihm gekoppelten zweiten System bestehen. Die Kopplung kann z. B. durch eine Luftsäule, eine sogenannte Umwegleitung, erfolgen, deren Länge auf λ/4 abgestimmt ist. Das bedingt einen großen Raumbedarf.

Um für einen solchen Schallstrahler einen geringeren Raumbedarf in Anspruch zu nehmen, hat man die erregende Membran über ein Luftvolumen, dessen Dimensionen klein zu λ sind, mit einer zweiten Membran gekoppelt und ist zu einem sogenannten Baß-Reflex-Gehäuse gekommen. Diese Ausführung arbeitet nach dem Prinzip des angekoppelten Helmholtz-Resonators, dessen Frequenz auf bzw. unter die normale Resonanzfrequenz des Einzelsystems gelegt ist.

Eine solche Anordnung kann aber im allgemeinen nur bestimmte, scharf ausgeprägte Resönanzfälle schaffen, die zwar die Hörbarkeitskurve im Bereich der tiefen Frequenzen so erweitern, daß sich eine Resultierende ergibt. Diese Resultierende hat scharf ausgeprägte Maxima, die den Klangcharakter, z. B. bei Baßzupfern, verfälschen. Diese Verfälschung des Klangcharakters liegt daran, daß die Ein- bzw. Aus-Schwingzeiten der freien Resonanzen des gekoppelten Systems nicht genügend klein sind. Es ergibt-sich das sogenannte Bumsen.

Eine kontinuierliche Erweiterung des Frequenz-Anordnung zur Erzielung

der Erweiterung des Frequenzbereiches

in Richtung der tieferen Frequenzen

bei akustischen Strahlern

Anmelder:

Deutsche Post,
Betriebslaboratoriurn für Rundfunk

und Fernsehen,
Berlin-Adlershof, Agastraße

Dr. Lothar Keibs, Berlin-Pankow,
ist als Erfinder genannt worden

bereiches nach den unteren Frequenzen und eine klangcharaktermäßig richtige Wiedergabe läßt sich dadurch erreichen, daß erfindungsgernäß die physikalischen Daten Reibung, Steife und Masse des zweiten Systems sowie das Koppelvolumen in bezug auf die entsprechenden Daten des ersten Systems durch Bedämpfungsmittel am ersten System und Bemessung und Ausbildung des zweiten Systems so abgestimmt sind, daß der untere Übertragungsbereich der Anordnung bei ausreichend kleinen, nicht mehr störenden Ausschwingungsvorgängen, beispielsweise bei einem logarithmischen Dekrement λ~3,5, erweitert wird, dergestalt, daß von den im stationären Zustand sich allgemein einstellenden drei Resonanzzuständen die obere konphase Resonanz so weit bedämpft ist, daß die in ihr abgestrahlte Leistung annähernd der Leistung in der mittleren um 90° phasenverschobenen Resonanz ist, und die untere gegenphasige Resonanz außerhalb des Übertragungsbereiches liegt.

Ein schwingendes System, z. B, die Membran eines Lautsprechers, ist mit einem weiteren schwingenden System derart gekoppelt, daß in dem interessierenden Frequenzbereich das aus beiden Schwingern bestehende System im erzwungenen Zustand mehrere Resonanzzustände annimmt, von denen z. B., ausgehend von höheren und niedrigeren Frequenzen, eine obere konphase Resonanz, anschließend eine hierzu etwa um 90° phasenverschobene Resonanz und schließlich eine gegenphasige "Resonanz auftritt. Daraus ergibt sich, daß die Schalleistung in Abhängigkeit

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von der Frequenz die.Resultierende von mehreren, vorzugsweise drei Resonanzzuständen istj die sich einander überlagern und eine kontinuierliche Erweiterung der Schalleistungskurye ergeben. Sie erstreckt sich bis zu dem Punkt, an dem Gegenphasigkeit vorliegt. Hier ist aber eine Auswirkung auf die Schallleistung nicht mehr vorhanden, da durch die Gegenphasigkeit eine Auslöschung der abgestrahlten Leistung des ersten und des .zweiten. Systems eintritt, d. h., der Lautsprecher wird in diesem Gebiet nicht mehr gehört. Bei der erfindungsgemäßen Lautsprecheranordnung ist diese Frequenz unterhalb des Übertragungsbereiches gelegt. Wesentlich bei der Anordnung bzw. bei der erfindungsgemäßen Bemessung der Strahlungswiderstände sowie der Lage der Koppelresonanzen (gegeben durch Masse, Reibung, Steife der Systeme und des Köpplungsgliedes — Luftpolsters — zwischen dem anregenden und dem angeregten System) ist weiter, daß die als Funktion der mittleren Resonanz erfolgende Erhöhung der Schallleistung sich nur im Bereich der tiefen Frequenzen auswirkt, so daß also oberhalb des Wirkungsbereiches des gekoppelten Systems eine Beeinflussung der Schallabstrahlung nicht erfolgt und die Schalleistung unabhängig von dem zweiten System praktisch die gleiche ist wie bei einem einfachen, nicht mit einem Hilfssystem gekoppelten System.

Im Sinne der vorstehenden Ausführungen ist mit »anregendem System« ein schwingendes System gemeint, das z. B. eine Membran sein kann. Es kann aber auch irgendein anderes akustisches System sein. Unter dem »angeregten System« ist ein schwingendes System zu verstehen, das ebenfalls aus einer Membran bestehen kann. Man kann das angeregte System wie beim Helmholtz-Resonator oder dem »Baß-Reflex-Gehäuse« einfach als öffnung mit oder ohne Hals ausführen, so daß das Medium innerhalb der Öffnung selbst als Membran wirkt.

Die Abb. 1 stellt den Schalldruck eines Lautsprechers als Funktion der Frequenz dar. Es ist ersichtlich, daß der Schalldruck im Bereich niedriger Frequenzen absinkt. Um nun bei vertretbarem technischem Aufwand für die konstruktive Gestalt eines Schallstrahlers und die ihm zuzuführende elektrische Energie auch für die tiefen Frequenzen eine ausreichende Schalldruckamplitüde zu erzielen, die den in der Originaldarbietung vorhandenen Frequenzcharäkter im Baßgebiet wiederzugeben gestattet, wird gemäß Abb. 2 in einem äußerlich einem Helmholtz-Resonator gleichenden Kasten das schwingende System eines Lautsprechers mit einem zweiten schwingenden System gekoppelt.

Es ist mit 1 die Membran des anregenden Systems bezeichnet. Das zweite schwingende System, eine zweite Membran, wird durch die Luftsäule des Loches 2 gebildet. An Stelle des Loches kann auch eine Materialmembran, z. B. Kunstleder, angeordnet sein.

In Abb. 3 ist dargestellt, welchen Verlauf die Schalldruckkurve des gekoppelten Systems bei dem üblichen Baß-Reflex-Gehäuse hat. Es ist ersichtlich, daß sich im erzwungenen Zustand drei Resonanzen ergeben, wobei die äußeren die Koppelresonanzen des Gesamtsystems sind und die mittlere die Helmholtz-Resonanz des angekoppelten Systems ist.

Es ist erfindungsgemäß erkannt worden, daß es nicht genügt, etwa die Verhältnisse allein so zu wählen, daß die unterste Resonanz in das unhörbare Gebiet fällt und es im übrigen bei dem dargestellten charakteristischen, Verlauf zu belassen. -

Vielmehr ergibt sich erfindungsgemäß, daß es erforderlich ist, die untere Koppelresonanz so tief zu legen, daß sie unterhalb des jeweils interessierenden Übertragungsbereiches zu liegen kommt, so daß sie praktisch gar nicht mehr erregt wird.

Ferner ist die im oberen Bereich liegende Koppelresonanz so zu bedampfen, daß im Falle der freien Schwingungen das System nahezu aperiodisch abklingt. Daraus ergibt sich, daß die freien Resonanzen ίο infolge der Bemessung der Dämpfung in das unhörbare Gebiet, d. h. gegen <w = 0, gelegt sind. Die Schallabstrahlung in der Helmholtz-Resonanz ist durch Leistungsanpassung des Resonators an das erregende System optimal gewählt. Auf diese Weise ergibt sich ein kontinuierlicher Verlauf der Schallleistungskurve bei geringen Ausschwingzeiten des gekoppelten Systems.

Um zu dem dargestellten Effekt zu gelangen, wie er sich aus Abb. 4 ergibt, sind die Bestimmungsao größen, d. h. die physikalischen Daten der schwingenden Einzelsysteme, das sind im allgemeinen ihre
Steifen,
Reibungen,

Massen sowie gegebenenfalls
Flächen der Membranen sowie das

Koppelglied (Volumen des koppelnden Luftraumes),

in ganz bestimmte Bedingungen und Zuordnungen zu bringen.

Es handelt sich hierbei um folgende Bestimmungsgleichungen:

1. Gleichung für die Lage der ersten (untersten) Resonanz,

2. Gleichung für die Lage der Helmholtz-Resonanz, 3. Gleichung für die Lage der oberen Resonanz,

4. die Beziehungen zwischen den Dämpfungen der Einzelsysteme,

5. die Bedingung für ausreichend gedämpftes Abklingen der freien Resonanzen,

6. die Bedingung für die optimale Leistungsanpassung des Helmholtz-Resonators an das erregende System,

wie sie sich aus den bekannten physikalischen Grundgleichungen für ein gekoppeltes Schwingungssystem mit getrennten Steifen, Massen und Reibungen ergeben.

Diese sechs Gleichungen ermöglichen die Bestimmung folgender unbekannter Größen:

a) r_t = notwendige Reibung des anregenden
Systems,

b) r₂ ' = Reibung der angekoppelten (zweiten)

Membran,

c) S₂ — Steife der angekoppelten Membran,

d) Ot₂ = Masse der angekoppelten Membran,
e) F = Volumen des koppelnden Luftraumes,

f) F₂ = Fläche der angekoppelten Membran.

Die Reibung T₁ setzt sich nahezu additiv aus der vorgegebenen Reibung des ersten Systems r_m und einer zusätzlichen Reibung r_z zusammen, die so gewählt ist, daß der nach der Bedingungsgleichung für r_x erforderliche Reibungswert garantiert ist.

Hierbei ist vorausgesetzt, daß die Größen r_m, s_v m_v F₁ (Reibung, Steife, Masse und Fläche) durch das anregende Lautsprechersystem vorgegeben sind.

Die Zusatzreibung besteht aus porösem Material bestimmten Strömungswiderstandes, wie z. B. aus einem Gewebe oder einer Faserschicht, die zweckmäßigerweise in den Öffnungen des Membrankorbes bzw. um den Membrankorb herum angebracht-ist.

Hat man gemäß der Erfindung die Größen a) bis f) nach den aus den Gleichungen 1 bis 6 sich ergebenden Lösungen bemessen, so erhält man eine Lautsprecheranordnung, bei der die Eigenschaften einer optimalen kontinuierlichen Leistungsabstrablung in den tiefen Frequenzen bei ausreichend kleinen Ausschwingvorgängen gewährleistet sind, wie dies in der Abb. 4 dargestellt ist.

Claims

Patentansprüche: IO

1. Lautsprecheranordnung in einem starren Gehäuse, bei der ein erstes antreibendes System ein zweites schwingungsfähiges System über ein Luftvolumen antreibt, dadurch gekennzeichnet, daß die physikalischen Daten Reibung, Steife und Masse des zweiten Systems sowie das Koppelvolumen in bezug auf die entsprechenden Daten des ersten Systems durch Bedämpfungsmittel am ersten System und Bemessung und Ausbildung des zweiten Systems so abgestimmt sind, daß der untere Übertragungsbereich der Anordnung bei ausreichend kleinen, nicht mehr störenden Ausschwingungsvorgängen, beispielsweise bei einem logarithmischen Dekrement λ ~ 3,5, erweitert wird, dergestalt, daß von den im stationären Zustand sich allgemein einstellenden drei Resonanzzuständen die obere konphase Resonanz so weit bedämpft ist, daß die in ihr abgestrahlte Leistung annähernd der Leistung in der mittleren um 90° phasenverschobenen Resonanz ist, und die untere gegenphasige Resonanz außerhalb des Übertragungsbereiches liegt.

2. Lautsprecheranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als zweites System ein steifenarmes und reibungsarmes System, wie z. B. eine Luftmembran mit oder ohne Hals oder auch eine materielle Membran aus schlaff montierter dünner Folie od. dgl., verwendet wird, wobei die in Verbindung mit dem Luftvolumen auftretende Resonanzfrequenz des zweiten Systems gleich der freien Eigenfrequenz des Antriebssystems gewählt ist.

3. Lautsprecheranordnung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erforderliche Gesamtreibung für das antreibende System erforderlichenfalls durch Anbringen einer Zusatzreibung aus porösem Material bestimmten Strömungswiderstandes, wie z. B. Gewebe, Faserschichten, erreicht wird, das in einer dem Wert des Strömungswiderstandes entsprechenden flächenmäßigen Dosierung in den öffnungen des Membrankorbes, um den Membrankorb herum oder im Membrankorb selbst untergebracht ist.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Britische Patentschrift Nr. 367 119;
französische Patentschriften Nr. 690133, 1095 563.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen