DE1110228B

DE1110228B - Lautsprecher

Info

Publication number: DE1110228B
Application number: DEC10004A
Authority: DE
Inventors: Stig Carlsson
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1953-10-02
Filing date: 1954-11-11
Publication date: 1961-07-06
Also published as: US3037081A; FR1255304A; GB780810A; SE176417C1; DK105927C

Description

Die Erfindung betrifft einen Lautsprecher und ein Lautsprechergehäuse, wobei das Lautsprechergehäuse einen akustischen Resonator geringer Abmessungen bildet.

Es ist bekannt, daß eine gute Lautsprecherwiedergäbe der tiefsten Tonfrequenzen schwierig ist. Geeignete Anordnungen bestanden bisher aus großen und unhandlichen Lautsprechern. Entsprechend der Größe und den hohen Kosten haben derartige Lautsprecher begrenzte Absatzmöglichkeiten. Zudem haben verschiedene Ausführungen großer Lautsprechergehäuse Resonanzen, die eine zufriedenstellende Wiedergabe der Ausgleichsvorgänge verhindern.

Ziel der Erfindung ist ein billiger Lautsprecher mit kleinen Abmessungen, der bei tiefen Tonfrequenzen eine glatte Übertragungscharakteristik, gutes Ansprechen auf Ausgleichsvorgänge und geringe nichtlineare Verzerrungen aufweist.

Durch die Erfindung sollen die beiden obengenannten Gesichtspunkte verwirklicht werden, ohne daß bei mittleren und hohen Tonfrequenzen die Wiedergabe des Lautsprechersystems beeinflußt wird.

Entsprechend der Erfindung bildet das- Lautsprechergehäuse einen akustischen Resonator (Helmholz-Resonator), wobei die Membran des Laut-Sprechersystems ein Teil der Wand des Resonators ist. Solche Lautsprechergehäuse werden oft Baßreflexgehäuse genannt. Das Lautsprechergehäuse dieser Erfindung unterscheidet sich vom üblichen Baßreflexgehäuse insofern, als es ein viel kleineres Volumen des akustischen Resonators besitzt und daß der äquivalente mechanische Reihenwiderstand im äquivalenten mechanischen Kreis des Lautsprechersystems größer als gewöhnlich ist. Das Lautsprechersystem kann ein übliches direktstrahlendes dynamisches Lautsprechersystem sein.

Ziel und Gesichtspunkte der Erfindung sind aus der folgenden, eingehenden Beschreibung ersichtlich. Diese gilt allgemein für Resonatorgehäuse: sowohl für Baßreflexgehäuse als auch für Resonatorgehäuse nach der Erfindung. Zur Beschreibung gehört auch die Zeichnung. ■

Fig. 1 zeigt einen schematischen Querschnitt eines Lautsprechers nach der Erfindung. Der Lautsprecher besteht aus einem Gehäuse, in dem in an sich bekannter Weise ein Lautsprechersystem und ein Resonatoransatz vorhanden sind. In der Zeichnung ist zwischen der Membran des Lautsprechersystems und der durch das Gehäuse umschlossenen Luft eine Schicht eines akustischen Widerstandsmaterials gezeigt, das den mechanischen Widerstand r_d, der unten näher definiert ist, entspricht. Bei gewissen Ausfüh-Lautsprecher

Anmelder:
Stig Carlsson, Stockholm

Vertreter: Dr.-Ing. E. Hoffmann, Patentanwalt,
München 22, Widenmayerstr. 34

Beanspruchte Priorität;
Schweden vom 12. März 1954

Stig Carlsson, Stockhohn,
ist als Erfinder genannt worden

rangen der Erfindung ist dieses Widerstandsmaterial nicht vorhanden und somit der entsprechende mechanische Widerstand r_d — 0. In Fig. 1 sind des weiteren die Symbole für die mechanischen Größen, die auf die Wirkung der Vorrichtung einen Einfluß haben, eingeführt. Diese Symbole sind im Anschluß an Fig. 2 näher erläutert.

Fig. 2 stellt für tiefe Tonfrequenzen, die für die Wirkung des Lautsprechers im Sinne der Erfindung ausschlaggebend sind, das mechanische Ersatzschaltbild des Lautsprechers der in Fig. 1 gezeigten Vorrichtung dar. Sämtliche mechanische und elektrische Größen, die auf das mechanische Verhalten der Vorrichtung einen Einfluß haben, sind zum mechanischen Kreise des Lautsprechersystems hinüberreduziert. Für diese Reduktion gelten an sich bekannte Voraussetzungen, und in Fig. 2 sind somit nur mechanische Symbole und Größen angegeben und gezeigt. In MKSA-System sind diese Größen, insofern sie für die in Fig. 1 gezeigte Vorrichtung von Interesse sind;, die folgenden: Masse (m) in Kilogramm, Federung bzw. Nachgiebigkeit (C) in Meter/Newton und mechanischer Widerstand (r) in mechanischen Ohm (Dimension: Newton Sekund/Meter), wobei als Symbole für diese mechanischen Größen wie gebräuchlich' die entsprechenden elektrischen," graphischen Symbole verwendet worden sind. ^;-^: --„...

109 620/286

Die Bezeichnungen der Figuren bedeuten:

r_em = innerer mechanischer Widerstand des äquivalenten mechanischen Generators, für den bei einem dynamischen Lautsprechersystem folgendes gilt:

*pm

ß²·/²

wo B die magnetische Induktion im Luftspalt des Lautsprechersystems, / die Länge des Leiters der Schwingspule im Magnetfeld und r_e die Summe des elektrischen Widerstandes der Schwingspule und des Ausgangswirkwiderstandes des Verstärkers ist. In diesem Ausdruck sind somit die elektrischen Größen der Lautsprechervorrichtung auf den mechanischen Kreis des Lautsprechersystems hinüberreduziert.

m_k = Masse der schwingenden Teile des
Lautsprechersystems.

Cf. = Mechanische Federung der Aufhängung des Lautsprechersystems.
r_k = Mechanischer Widerstand der Reibung in der genannten mechanischen Federung.

m, — Masse der Luft, die auf der Membran des Lautsprechersystems lastet.
= Mechanischer Strahlungswiderstand der Membran (vernachlässigbar klein gegen die anderen Impedanzen).
r_ä = Äquivalenter mechanischer Widerstand einer Schicht akustischen Widerstandsmaterials auf der Rückseite des Lautsprechersystems.

C_v = _o ., = mechanische Federung der ρ-C-- s_k~ j_m eräuge eingeschlossenen Luft, wo

V = Rauminhalt des Gehäuses, ο = Luftdichte,
c = Schallgeschwindigkeit und 5/. = effektive Fläche der Membran sind,

m_p = m_P' · -~-_z = Summe der Luftmasse, die ^k auf der Mündung des Resonatoransatzes lastet, und der auf die Mündung reduzierten, äquivalenten Masse der Luft innerhalb dieses Ansatzes, wo S₁, die effektive Querschnittsfläche des Resonatoransatzes an der Mündung ist.

r_Lp = tl · -^₂- = Mechanischer Strahlungs- ^k widerstand der Mündung

des Resonatoransatzes.

m_p und T₁ — Die Belastungen, die Luftmasse m_p und der Strahlungswiderstand r_Lp auf die Membran der Lautsprecher ausüben.

Das mechanische Ersatzschaltbild in Fig. 2 hat,, wie aus dem Bild hervorgeht, zwei Serienresonanzfrequenzen, die unten Z₁ und /₃ bezeichnet sind, und. eine

Parallelresonanz f₂'f₂ i^st die Resonanzfrequenz des Gehäuses, und zwar:

f-

J2

Die Folge der Resonanzfrequenzen ist: Z₁ <Cf.₂<Cf_s.

Zur Systematisierung der Dimensionierung von Resonatorgehäusen wird eine neue Größe, der im folgenden Volumenparameter ν benannt wird, eingeführt, wobei:

v =

πι™

Aus den oben angegebenen Ausdrücken für /₂ und C_v ist -^- in L₂ und C_v ausgedrückt zu erhalten, was

nach Einführen in diese Formel für ν folgenden Ausdruck gibt:

ν = ι —— c

ν
Q

Der Volumenparameter ist dem Rauminhalt des Gehäuses proportional, wenn das Lautsprechersystem und die Resonanzfrequenz /₂ gegeben sind.

Mit Hilfe des Volumenparameters ν wurden Baßreflexgehäuse, andere Resonanzgehäuse und veröffentlichte Dimensionierungsprinzipien erfaßt. Dabei zeigte sich, daß die Volumenparameter nie kleiner als 1,0 waren, meistens bewegt sich dieser Wert zwischen 1 und 3.

Der Volumenparameter.v wirkt sich dahingehend aus, daß mit kleiner werdendem ν die Resonanzfrequenz /₃ steigt, der akustische Wirkungsgrad bei /₃ wächst und der akustische Wirkungsgrad bei /₂ fällt.

Bei Verwendung eines Lautsprechersystems mit üblichen Wirkungsgrad bewirkt die Verringerung des Volumenparameters ν auf einen kleinen Wert einen so geringen akustischen Wirkungsgrad bei /₂ gegen den Wirkungsgrad bei /₃, daß der Resonator, nutzlos zu sein scheint. Das ist der Grund, warum kleine Werte des Volumenparameters bisher nicht als zweckmäßig betrachtet wurden. .

Nach der Erfindung wird der Volumenparameter ν ■und damit der; Rauminhalt. des Gehäuses zweckmäßigerweise auf einen Bruchteil des bisher üblichen Wertes reduziert und gleichzeitig.. der äquivalente mechanische.Dämpfungswiderstand in Reihe mit der Lautsprechermembran im äquivalenten mechanischen Kreis bedeutend größer gemacht. Der Erfinder kam zu dem Ergebnis, daß der besagte Dämpfungswiderstand ,den akustischen Wirkungsgrad des Lautsprechers bei der Frequenz /₃ in gewisser Weise beherrscht, den Wirkungsgrad bei der Frequenz /₂ jedoch nicht merkbar beeinflußt. Ein passend gewählter Widerstand bewirkt also bei tiefen Tonfrequenzen bis zu /₂ eine glatte oder glatte, abfallende Übertragungscharakteristik des Lautsprechers.

Die Erfindung kann folgendermaßen zahlenmäßig gekennzeichnet werden:

1. Der Volumenparameter ν ist kleiner als 1,0.
2. Der Dämpfungswiderstand in Reihe mit der Lautsprechermembran im äquivalenten mechanischen. Kreis ist groß und vorzugsweise so groß, daß Öq kleiner als 1,0. wird, wobei Q₀ bei Resonanz als das Verhältnis zwischen der positiven äquivalenten mechanischen Reaktanz und dem äquivalenten mechanischen Serienwiderstand des Lautsprechers gemessen wird, wenn der Laut-

MIO

Sprecher mit dem dazugehörigen Verstärker betrieben wird und die Mündung des Resonators geschlossen ist und der Lautsprecher an einem für denselben zweckmäßigen Verstärker angeschlossen ist. "." Es werden einige Einzelheiten zur Dimensionierung eines Lautsprechers entsprechend dieser Erfindung angegeben, ohne dadurch- die Ansprüche in irgendeiner Weise einzuschränken:

Die Resonanzfrequenz des Gehäuses soll mit der des Lautsprechersystems übereinstimmen: · - ■

2 π

1 π ]/(m_fc + m_L) ■ C_k

Der Erfinder kam zu dem Ergebnis, daß die Werte des Parameters ν von 0,2 bis 0,5 von besonderem Interesse sind. Der Erfinder legte den Wert ν = 0,3 bei mehreren Lautsprechern mit hoher Wiedergabequalität zugrunde. -..---.

Als Beispiel für erreichbare Übertragungscharakteristiken bei tiefen Tonfrequenzen sei erwähnt, daß der Lautsprecher eine Übertragungscharakteristik bei tiefen Tonfrequenzen erhalten kann,, die bis zu /„sich der Frequenzkurve des Stromes eines Kreises, in dem die Spannung eine Reihenschaltung von einem Widerstand und einer Kapazität speist, anschmiegt. In diesem Fall soll der Dämpfungswiderstand so gewählt werden, daß -

η — ¹^

1/

4 + }-+7 ν

3Q

Eine Übertragungscharakteristik dieser Art kann im Verstärker leicht kompensiert werden, damit bei tiefen Tonfrequenzen bis zu /₂ eine gleichmäßige 35-Übertragungscharakteristik erzielt wird.

Im folgenden sind einige Beispiele angegeben, wie,_ man den Dämpfungswiderstand erzielen känn:ⁱ"" ■"-— ^:

1. Eine Schicht akustischen Widerstandsmaterials wird als r_d in Fig. 1 und 2 zwischen der Membran des Lautsprechersystems und dem Resonatorraum eingebracht.

2. Der Lautsprecher wird von einem Verstärker mit einer negativen inneren Ausgangsimpedanz gespeist.

3. Es wird ein Lautsprechersystem mit sehr hohem Wirkungsgrad verwendet.

Auf Grund der Ergebnisse theoretischer Untersuchungen sollen die Betriebseigenschaften von Lautsprechern mit Resonatorgehäusen in Abhängigkeit vom Volumenparameter ν betrachtet werden, ohne dadurch die Ansprüche in irgendeiner Weise einzuschränken:

1. Wirkungsgrad bei der Frequenz /₂:

Im freien Schallfeld und mit gegebener Triebspannung in das Verhältnis zwischen dem Schalldruck bei der Frequenz f₂ und dem Schalldruck bei der höchsten Frequenz, bei der die Lautsprechermembran noch als ein Kolben schwingt, gleich v, wenn die Dämpfungswiderstände des akustischen Resonators gering sind. Dies war bei Versuchslautsprechern nach dieser Erfindung der Fall.

2. Ansprechen auf Ausgleichsvorgänge:

Zur guten Wiedergabe der Ausgleichsvorgänge sind kleine Gütezahlen Q₂ und Q₃ des äquivalenten mechanischen Kreises des Lautsprechers bei den Resonanzfrequenzen /₂ und f₃ erforderlich. Ist der Resonator auf die Resonanzfrequenz des Lautsprechers abgestimmt und. die Dämpfungswiderstände des akustischen Resonators vernachlässigbar, so gilt:

Q, ■ Q₃ = l/o,5 ν + v² +1/0,25 v²"+v» .

Kleine Werte des Parameters v, d< h. kleine Gehäuse, ermöglichen bessere Wiedergabe der Ausgleichsvorgänge als große Werte von v. Zudem ist es leichter, Gehäuse mit kleinen Abmessungen so stabil zu bauen, daß störende Resonanzen der Wände des Gehäuses vermieden werden.
• Die niedrigen nichtlinearen Verzerrungen des Lautsprechers entsprechend dieser Erfindung werden durch Meßergebnisse zweier Lautsprecher illustriert, ohne dadurch die Ansprüche in irgendeiner Weise einzuschränken. Beide Lautsprecher hatten ν = 0,3 und waren mit einer Schicht akustischen Apsorptionsmaterials an der Rückseite des Lautsprechersystems versehen. Die Verzerrungen des speisenden-Verstärkers .waren vemachlässigbar, sein effektiver Ausgangswiderstand war nahe an Null. In beiden Fällen wurden übliche Lautsprechersysteme verwendet, es war lediglich die Federung C_k etwas erhöht.

Lautsprecher 1

Ein lo^-cm-Lautsprechersystem wurde in ein Gehäuse mit einem Rauminhalt von 8 dm³ montiert. (Außenmasse: 24 -24 · 24 cm³);, der Resonator war auf /₂ = 70 Hz abgestimmt. Bei Messungen in einem echofreien Raum erreichte der Klirrfaktor des Lautsprechers 5 % bei einer Lautstärke von.

78 db über 10 - ^ W/cm² bei 60 Hz,
90 db über 10-«W/cm² bei 80Hz,
95 db über 10-^ie W/cm² bei IiO Hz

mim Entfernung.

Dieselben Messungen wurden mit demselben Lautsprechersystem in drei anderen Gehäusearten ausgeführt. Die beiden ersten waren das obige Gehäuse, das wie angegeben geändert war. Alle Lautstärkewerte beziehen sich auf die oben angegebenen.

a) Es wurde die Mündung des Resonators geschlossen und die Dämpfung r_d entfernt. Wenn das Lautsprechersystem also in einem sehr kleinen, geschlossenen Gehäuse angebracht war, so betrugen die Lautstärkewerte bei 5^fl/o Klirrfaktor 13 bis 18 db weniger.

b) Außerdem wurde die Rückwand des Gehäuses entfernt. Wenn das Lautsprechersystem also in einem kleinem, hinten offenen Gehäuse angebracht war, wie es bei Rundfunkapparaten üblich ist, so betrugen die Lautstärkewerte bei 5 °/o Klirrfaktor 15 bis 25 db weniger.

c) Was das obige Lautsprechersystem in einem sehr großen, geschlossenen Gehäuse (Rauminhalt 140 dm³) angebracht, das mit akustischem Widerstandsmaterial ausgekleidet war, so betrugen die Lautstärkewerte bei 5 % Klirrfaktor 5 bis 9 db weniger.

Lautsprecher 2

Ein 26-cm-Lautsprechersystem wurde in ein kegelförmiges Gehäuse mit einem Rauminhalt von 52 dm³ montiert; der Resonator war auf /₂ = 38Hz abgestimmt. Bei Messungen in einer Ecke in einem freien Schallfeld erreichte der Klirrfaktor des Lautsprechers 3 °/o bei 30 Hz, wenn die Lautstärke 2 m vom Laut-

Sprecher entfernt 93 db über IQ-¹⁶ W/cm² betrug. Ungefähr das gleiche Ergebnis wurde erzielt, wenn die Dämpfung r_d durch ein entsprechendes Ausmaß der Dämpfung von einer negativen inneren Ausgangsimpedanz des speisenden Verstärkers ersetzt wurde.

Claims

PATENTANSPRÜCHE:

1. Lautsprecher, der ein Lautspreehersystem und ein Gehäuse umfaßt, das einen akustischen Resonator (Helmholtz-Resonator) bildet, wobei die Membran des Lautsprechersystems ein Teil der Wand des Resonators ist, dadurch gekenn zeichnet, daß

kleiner als 1,0 ist, wobei

α cb d*

a = die Summe der Massen der schwingenden Teile des Lautsprechersystems und der Luft, die auf der Membran lastet,
b = die Summe der Luftmasse, die auf der Mündung des Resonatoransatzes lastet, und der äquivalenten, auf die Mündung reduzierten Masse der Luft innerhalb dieses Ansatzes,
c = die effektive Querschnittsfläche des Resonatoransatzes an der Mündung, d = die effektive Membranfläche des Lautsprechersystems,

wobei eine oder mehrere der folgenden an sich äquivalenten Maßnahmen getroffen sind, nämlich daß das an einen dafür geeigneten Verstärker angeschlossene Lautsprechersystem einen so großen totalen äquivalenten mechanischen Reihenwiderstand hat, um in ein Gehäuse, das für ν = 1,0 bemessen ist und wo die Resonanzfrequenz des akustischen Resonators und die Resonanzfrequenz des Lautsprechersystems zusammenfallen, Q₆ kleiner als 1,0 zu machen, wobei Q₀ das Verhältnis bei Resonanz zwischen der positiven, äquivalenten mechanischen Reaktanz und dem äquivalenten mechanischen Reihenwiderstand des Lautsprechers ist, wenn die Mündung des Resonators geschlossen ist, oder daß der äquivalente mechanische Reihenwiderstand des Lautsprechersystems, der von dem elektrischen Kreis des Lautsprechers herrührt, dadurch groß gemacht wird, daß der Lautsprecher bemessen ist, um an einen Verstärker mit negativem innerem Ausgangswiderstand angeschlossen zu werden, oder daß der äquivalente, mechanische Reihenwiderstand des Lautsprechersystems durch einen akustischen Widerstand, einer zwischen der Lautsprechermembran und dem Resonatorvolumen angeordneten Schicht eines akustischen Widerstandsmaterials (z.B. Steinwolle) gesteigert ist. :

2. Lautsprecher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der gesamte äquivalente mechanische Widerstand in Reihe mit der Lautsprechermembran so groß ist, daß, mit dem Lautsprecher an einen passenden Verstärker angeschlossen, Q₀ kleiner als 1,0 ist, wo Q₀ die genannte Bedeutung hat.

3. Lautsprechergehäuse, dadurch gekennzeichnet, daß es in der erforderlichen Weise aufgebaut ist, daß ein Lautsprecher nach Anspruch 1 oder 2 zustande kommt, wenn ein handelsübliches Lautsprechersystem eingebaut wird.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Britische Patentschrift Nr, 696 671;
Radiotechnik, 1951, Heft 6, S. 245 bis 249.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen