DE19534741C2 - Tragbares Computergerät mit einem mit Öffnungen versehenen Lautsprechergehäuse - Google Patents

Tragbares Computergerät mit einem mit Öffnungen versehenen Lautsprechergehäuse

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Description

Diese Erfindung bezieht sich auf ein tragbares Computergerät mit einem mit Öffnungen versehenen Lautsprechergehäuse.
Die Größe tragbarer Personalcomputer nahm in den letzten wenigen Jahren ziemlich dramatisch ab. Frühe tragbare Computer wogen über neun Kilo (20 pound) und glichen realistisch einem Desktop-Computer mit einem Handgriff - wodurch der Computer nur unter großer Anstrengung durch starke Personen herumgezerrt werden konnte. Im Gegensatz dazu können heutige Laptop- und Teil-Notebook-Computer weniger als 1,4 kg (3 pound) wiegen, passen ohne weiteres in eine Aktentasche und sind in der Tat tragbar. Obwohl die Abnahme der Größe von tragbaren Personalcomputern ein Vorteil für Geschäftsreisende war, wurde sie auch von Problemen begleitet.
Ein derartiges Problem ist es, daß bei abnehmender Größe eines Computers viele der Komponenten, die in dem Computer enthalten sind, ebenfalls kleiner werden müssen. Beispiele von Komponenten, die zusammen mit dem Gerät schrumpften, ist der Schaltungsaufbau, der Festplattenspeicher und der Laut­ sprecher. Die Reduktion der Größe des Schaltungsaufbaus und des Festplattenspeichers war kein großes Problem, da techno­ logische Fortschritte in diesen Bereichen ermöglichten, daß eine gleiche oder bessere Funktionalität in kleineren Größen vorliegt als die, die vorher mit größeren Größen verfügbar war.
Die Reduzierung der Größe des Lautsprechers bewirkte ande­ rerseits schwerwiegendere Probleme. Wenn der Lautsprecher kleiner wird, wird auch die maximale Leistung, die der Laut­ sprecher handhaben kann, kleiner, wodurch die Lautstärke und die Qualität des Klangs, den der Lautsprecher erzeugen kann, reduziert wird. Außerdem muß zwischen der Niederfrequenzant­ wort kleiner Lautsprecher und der maximalen Leistung, die der Lautsprecher handhaben kann, aufgrund der physikalischen Bewegung der Lautsprecherspule bei tiefen Frequenzen ein Kompromiß geschlossen werden. Die geringe Leistung und die schlechte Niederfrequenzantwort kleiner Lautsprecher ist in heutigen tragbaren Computern und anderen elektronischen Ge­ räten völlig unannehmbar, bei denen der Klang wichtig ist, beispielsweise wenn heutige klangintensive Multimediaanwen­ dungen ausgeführt werden.
Ein bekannter Versuch, dieses Problem zu lösen, ist in dem US-Patent 4,727,583 offenbart. Dieses Patent offenbart einen dünnen Lautsprecher, der in einem Gehäuse in einem Telefon- Handapparat enthalten ist, wobei der Hohlraum des Lautspre­ chers dimensioniert ist, um die Resonanzfrequenz der Laut­ sprecher/Gehäuse-Kombination näherungsweise bis zu der Frei­ luft-Grenzfrequenz des Lautsprechers zu bewegen. Die resul­ tierende Antwort fällt dann mit etwa 6 dB/Oktave unter die­ sem Punkt. Ein Verstärker mit einer Verstärkungszunahme von 6 dB/Oktave ist in dem Signaleingangsweg plaziert, um eine im wesentlichen flache Frequenzantwort in dem normalerweise gewünschten Audiobereich zu erzeugen. Obwohl die Vorrichtung des US-Patents 4,727,583 diesen Niederfrequenzbereich scheinbar verstärkt, fordert sie einen zusätzlichen Schal­ tungsaufbau, um dieses Ergebnis zu erreichen, wodurch eine unerwünschte Zunahme der Größe und der Kosten des elektroni­ schen Geräts entsteht.
Die Vor-Rück-Löschung eines Tons mit relativ tiefer Frequenz ist ein fundamentales Problem großer alleinstehender Laut­ sprecher mit bewegliche Membran. Entwickler großer, allein­ stehender Lautsprecher begegnen diesem Problem normalerweise durch das Abdichten des Tons von der Rückseite des Lautspre­ chers in einem Luftvolumen.
Ein weiterer üblicher Lösungsansatz folgt der frühen Forschung von James F. Novak, A. N. Thiele und Richard H. Small, die seit Ende der fünfziger Jahre die Theorie auf­ stellten, daß der Betrieb von großen, alleinstehenden Laut­ sprechern verbessert wäre, wenn sie mit einer Entlüftungs­ öffnung oder einer Öffnung für die Phasen-korrigierten Töne, die von der Rückseite des Lautsprechers kommen, versehen sind. Hierzu wird auf folgenden Artikel verwiesen: James F. Novak, Performance of Enclosures for Low-Resonance High- Compliance Loudspeakers, IRE Transactions in Audio, Band AU-7, Seiten 5-13 (Jan.-Feb. 1959).
Obwohl die Arbeit dieser Forscher die praktische Verwendung ihrer Theorien in großen, alleinstehenden Lautsprechern zei­ gen, sind sie nicht in der Lage, zu zeigen, ob, oder selbst wenn, wie diese Theorien in kleinen Lautsprechern, die in einem tragbaren elektronischen Gerät eingeschlossen sind, praktisch anwendbar sind. In gleicher Weise waren Entwickler kleiner tragbarer elektronischer Geräte bisher nicht in der Lage, zu zeigen, ob, oder selbst wenn, wie die Theorien die­ ser Forscher in kleinen Lautsprechern, die in einen tragba­ res Gerät eingeschlossen sind, praktisch anwendbar sind.
Die DE 38 18 366 A1 zeigt in ihren Fig. 1-4 unterschied­ liche Ausführungsformen eines Baßreflex-Lautsprechersystems, bei dem in üblicher Weise das Volumen einer Resonanzkammer und der Flächenbereich der Abstrahlungsöffnung in der Weise festgelegt sind, daß bei einer gewünschten unteren Grenz­ frequenz eine Resonanz auftritt. Bei diesem Lautsprecher­ system handelt es sich typischerweise um einen freistehen­ den, volumenmäßig großen Standlautsprecher, da anderenfalls die erforderlichen Wege innerhalb der Baßreflexbox nicht den Schallwellenlängen bei niederen Frequenzen entsprechen könn­ ten. Irgendein Hinweis darauf, derartige Systeme bei trag­ baren Computern einzusetzen, sind dieser Schrift nicht zu entnehmen. Das in den Fig. 1-4 dieser Schrift gezeigte Lautsprechersystem stellt ein akustisches Filter 6. Ordnung dar. Demnach erreicht das Lautsprechersystem nach dieser Schrift auch keinen flachen Frequenzverlauf, sondern, wie dies in Fig. 2, lediglich einen wellenförmigen Frequenzverlauf, wie er sich durch Überlagerung von 3 Resonanzkurven ergibt.
Daher kann der relevante Stand der Technik dahingehend zu­ sammengefaßt werden, daß zwar aus der allgemeinen Literatur zur Theorie der Lautsprecher Berechnungsvorschriften für großvolumige Lautsprecher bekannt sind, die darauf abzielen, daß die aus dem Lautsprecher aus der Öffnung nach hinten austretenden Schallwellen sich phasengleich mit den Schall­ wellen an der Vorderseite des Lautsperchers treffen, wobei jedoch bislang nicht daran gedacht wurde, derartige Systeme auf Gehäuse mit extrem kleinen Dimensionen, wie beispiels­ weise Gehäuse von tragbaren Computern, zu übertragen.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen trag­ baren Computer zu schaffen, der einen Lautsprecher aufweist, welcher vor allem bei tiefen Frequenzen ein gutes Klangver­ halten zeigt.
Diese Aufgabe wird durch einen tragbaren Computer gemäß An­ spruch 1 gelöst.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend bezugnehmend auf die beiliegenden Zeich­ nungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 einen tragbaren Computer unter Verwendung eines herkömmlichen abgedichteten Lautsprechergehäuses;
Fig. 2 eine auseinandergezogene Ansicht eines Abschnitts des tragbaren Computers von Fig. 1;
Fig. 3 den tragbaren Computer des bevorzugten Ausführungs­ beispiels der Erfindung; und
Fig. 4 eine auseinandergezogene Ansicht eines Abschnitts des tragbaren Computers von Fig. 3.
Die Fig. 1 und 2 zeigen einen tragbaren Computer und eine auseinandergezogene Ansicht eines Abschnitts des Computers unter Verwendung eines herkömmlichen abgedichteten Laut­ sprechergehäuses. Der tragbare Computer 10 (der hier als ein Laptop-Computer von Hewlett-Packard, OmniBook 4000, gezeigt ist) besitzt eine Öffnung 12, die in einer ersten Oberfläche enthalten ist, welche hierin als obere Seitenfläche 14 gezeigt ist. Der tragbare Computer 10 weist ferner eine Anzeige 11 und ein Tastenfeld 13 auf. Ein Lautsprecher (Fig. 2) ist direkt unterhalb der Öffnung 12 befestigt, derart, daß Schall von einem vorderen Abschnitt 18 des Lautsprechers 15 durch die Öffnung 12 der oberen Oberfläche 14 emittiert wird. Schall von dem hinteren Abschnitt 19 des Lautsprechers 15 ist zwischen der unteren Gehäuseoberfläche 16 und der oberen Oberfläche 14 eingefangen. Da der Schall von dem hinteren Abschnitt 19 des Lautsprechers 15 eingefangen ist, kann er sich nicht zu der Vorderseite des Lautsprechers 15 herumwinden und Niederfrequenzschall, der aus dem vorderen Abschnitt 18 des Lautsprechers 15 kommt, herauslöschen. Der Lautsprecher 15 wird daher so betrachtet, als sei er in einem abgedichteten Gehäuse, wobei die Luft zwischen der unteren Gehäuseoberfläche 16 und der oberen Oberfläche 14 als eine Feder in einem Luftfederungssystem wirkt.
Die maximale Leistung, die dem Lautsprecher 15 geliefert werden kann, ist durch die maximale Auslenkung der Membran des Lautsprechers 15 bestimmt. A. N. Thiele entdeckte, daß die maximale Auslenkung der Membran eines Lautsprechers in einem abgedichteten Gehäuse bei der Resonanzfrequenz des Lautsprechers auftritt. Bei einem Lautsprecher mit einer Re­ sonanzfrequenz von 356 Hz, wie es für den Lautsprecher 15, der in einem abgedichteten Gehäuse befestigt ist, typisch sein würde, würde die maximale Leistung dieses Lautsprechers typischerweise bei etwa 0,2 Watt liegen.
Die Fig. 3 und 4 zeigen einen tragbaren Computer und eine auseinandergezogene Ansicht eines Abschnitts des Computers gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der tragbare Computer 100 der Laptop-Computer von Hewlett-Packard, OmniBook 4000, der in Fig. 1 gezeigt ist, der modifiziert ist, wie hierin beschrieben und gezeigt ist. Wie der tragbare Computer 10 von Fig. 1 weist der tragbare Computer 100 eine Öffnung 12 auf, die in der oberen Seitenfläche 140 enthalten ist. Anders jedoch als der tragbare Computer 10 besitzt der tragbare Computer 100 eine zweite Öffnung - Öffnung 110 - die ebenfalls in der oberen Seitenfläche 140 enthalten ist. Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die obere Seitenfläche 140 eine Auflagefläche (palmrest) für die Tastatur des tragbaren Computers 100. Dies ist ein vor­ teilhafter Ort, um die Öffnungen 12 und 110 zu plazieren, da der Bereich unter den Auflageflächen normalerweise nicht vollständig genutzt ist. Die Wirkung der Öffnung 110 wird detaillierter nachfolgend beschrieben. Wie der Lautsprecher 15 von Fig. 2 ist der Lautsprecher 150 (Fig. 4) direkt un­ terhalb der Oberfläche 12 befestigt, derart, daß Schall von einem unteren Abschnitt 180 des Lautsprechers 150 durch eine Öffnung 12 der oberen Seitenfläche 140 emittiert wird. Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel stößt der untere Ab­ schnitt 180 des Lautsprechers 150 gegen die obere Seitenfläche 140, wodurch eine Abdichtung mit der oberen Oberfläche 140 gebildet wird. Anders als bei dem Lautsprecher 15 von Fig. 2 ist der Schall von einem oberen Abschnitt 190 des Lautsprechers 150 nicht zwischen der unteren Seitenfläche 160 und der oberen Oberfläche 140 eingefangen. Statt dessen bildet der Bereich zwischen der unteren Seitenfläche 160 und der oberen Oberfläche 140 innerhalb der Wände 121 bis 124 ein mit Öffnungen versehenes Lautsprechergehäuse 120. Das mit Öffnungen versehene Lautsprechergehäuse 120 und die obere Seitenfläche 140 sind entworfen, um zu ermöglichen, daß Schallwellen von dem oberen Abschnitt 190 des Lautsprechers 150 im wesentlichen phasengleich mit Schallwellen von dem unteren Abschnitt 180 des Lautsprechers 150 emittiert werden, auf eine Art und Weise, die nun erläutert wird.
Zusätzlich zu dem Lautsprecher 150 enthält das mit Öffnungen versehene Lautsprechergehäuse 120 ferner einen akustischen Isolator 200. Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der akustische Isolator 200 ein weiches elastisches Dich­ tungsmaterial, obwohl ebenso andere Materialien verwendet werden könnten. Der akustische Isolator 200 ist zwischen der oberen Oberfläche 140 und der unteren Seitenfläche 160 angeordnet und teilt das mit Öffnungen versehene Lautspre­ chergehäuse 120 in Kammerabschnitte 210 und 220. Der akusti­ sche Isolator 200 erstreckt sich nicht von der Wand 122 zu der Wand 124; stattdessen endet er, bevor er die Wand 124 erreicht, wobei er einen Spalt 215 frei läßt. Der Spalt 215 in dem akustischen Isolator 200 ermöglicht es, daß sich Schall von dem oberen Abschnitt 190 des Lautsprechers 150 von der ersten Kammer 210 durch den Spalt 215 des akusti­ schen Isolators 200 zu der zweiten Kammer 220 bewegt, bevor er durch die Öffnung 110 der oberen Oberfläche 140 austritt. Der Kammerabschnitt 210 des mit Öffnungen versehenen Laut­ sprechergehäuses 120 liefert eine akustische Anpassungsein­ richtung für einen Schall von dem oberen Abschnitt 190 des Lautsprechers 150, während der Kammerabschnitt 220 eine aku­ stische Masse für den Schall von dem oberen Abschnitt 190 des Lautsprechers 150 liefert. In diesem Fall verzögern die Kammerabschnitte 210 und 220 die Schallwellen, die von dem oberen Abschnitt 190 des Lautsprechers 150 kommen, derart, daß sie zu der Zeit, zu der sie von der Öffnung 110 der obe­ ren Oberfläche 140 emittiert werden, im wesentlichen phasen­ gleich mit den Schallwellen sind, die von dem oberen Ab­ schnitt 190 des Lautsprechers 150 durch die Öffnung 12 der oberen Oberfläche 140 emittiert werden.
Der Entwurf des mit Öffnungen versehenen Lautsprechergehäu­ ses 120 hängt stark von zwei Eigenschaften des Lautspre­ chers, der als Lautsprecher 150 gewählt ist, ab: der Reso­ nanzfrequenz (fs) und der äquivalenten akustischen Anpassung (Vas). Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der Laut­ sprecher 150 ein Lautsprecher 36M1, hergestellt von der JSR Kompanie aus Japan. Die Resonanzfrequenz dieses Lautsprechers beträgt näherungsweise 356 Hz. Diese Eigenschaft kann durch den Hersteller des Lautsprechers geliefert werden, oder kann bestimmt werden, indem der Punkt der maximalen Im­ pedanz des Lautsprechers gemessen wird, der gemäß Thiele und Small eine genaue Anzeige der Resonanzfrequenz liefert. Vas kann ebenfalls durch den Hersteller des Lautsprechers gelie­ fert werden, oder kann bestimmt werden, indem der Lautspre­ cher in einer Testbox, die folgend den Lehren von Thiele und Small auf eine Fachleuten bekannte Art und Weise aufgebaut ist, plaziert wird, und die Resonanzfrequenz des Lautspre­ chers in der Testbox und in freier Luft gemessen wird, wobei sich dann Vas gemäß folgender Formel berechnet:
Vas = 52,3 cm3 (3,19 in3) (2)
Sobald fs und Vas bestimmt sind, kann das Volumen der aku­ stischen Anpassungsvorrichtung (Kammerabschnitt 210) durch Verwendung der folgenden Formel berechnet werden:
Cas/Cah die akustische Anpassung der Treiberaufhängung/die akustische Anpassung von Luft in dem Gehäuse, kann durch Be­ zugnahme auf die Ausrichtungstabelle von Thiele bestimmt werden (Dokument 2, Seite 388). Thiele's Ausrichtungsnummer 3, QB3, ist für den Lautsprecher 150 geeignet (welche äqui­ valent zu einem Quasi-Hochpaß-Butterworth-Filter vierter Ordnung ist). Die relevanten Abschnitte der Ausrichtungs­ tabelle von Thiele sind nachfolgend für QB3 reproduziert:
Unter Verwendung der obigen Ausrichtungstabelle ergibt Glei­ chung (3):
Einsetzen von 52,3 cm3 (3,19 in3) für Vas ergibt:
V = 11,7 cm3 (0,716 in3) (5)
Die Länge und die Querschnittsfläche des Kammerabschnitts 220 können durch folgende Gleichung bestimmt werden:
Die Verwendung von Thiele's Ausrichtungstabelle ergibt, daß fb = 504,096,
Unter Verwendung einer geeigneten Größe für Sv = 0,50 cm2 (0,078 in2), und Anwenden des Endkorrekturfaktors für eine konisch erweiterte Öffnung ergibt:
Wie oben erläutert wurde, ist die maximale Leistung, die ei­ nem Lautsprecher zugeführt werden kann, durch die maximale Auslenkung der Membran des Lautsprechers bestimmt, wobei die maximale Auslenkung der Membran bei der Resonanzfrequenz des Lautsprechers auftritt, wenn der Lautsprecher in einem luft­ gefederten System befestigt ist. Wenn der Lautsprecher je­ doch in einem mit Öffnungen versehenen Lautsprechergehäuse befestigt ist, wie es bei dem Lautsprecher 150 in dem mit Öffnungen versehenen Lautsprechergehäuse der Fall ist, be­ stimmt Thiele, daß die theoretische Auslenkung der Membran bei der Resonanzfrequenz Null ist. Diese Eigenschaft von Lautsprechern in mit Öffnungen versehenen Gehäusen kann ver­ wendet werden, um die Leistungseingabe in den Lautsprecher 150 im Gegensatz zum Lautsprecher 15 theoretisch unbegrenzt zu erhöhen, obwohl praktische Begrenzungen die maximale Lei­ stung begrenzen. Für den Lautsprecher 150, der im Gehäuse 200 gezeigt ist, beträgt die maximale Leistung näherungswei­ se 0,8 bis 1,8 Watt - eine große Erhöhung der Leistung ge­ genüber der maximalen Leistung von 0,2 Watt des Lautspre­ chers 15. Diese Erhöhung der Leistung ermöglicht es, daß das tragbare Computergerät 100 bei Anwendungen, bei denen der Klang wichtig ist, beispielsweise bei Multimediaanwendungen, viel nützlicher als das tragbare Computergerät 10 ist.

Claims (7)

1. Tragbares Computergerät (100) mit einem mit Öffnungen versehenen Lautsprechergehäuse (120), das folgende Merkmale aufweist:
einen Lautsprecher (150) mit einem oberen Ab­ schnitt (180) und einem unteren Abschnitt (190), wobei der obere Abschnitt (180) des Lautsprechers (150) eine erste Abdichtung mit einer oberen Sei­ tenfläche (140) des tragbaren Computergeräts (100) bildet und der untere Abschnitt (190) des Lautsprechers (150) eine zweite Abdichtung mit der untere Seitenfläche (160) des mit Öffnungen ver­ sehenen Lautsprechergehäuses (120) bildet;
einen akustischen Isolator (200), der zwischen der oberen Seitenfläche (140) des tragbaren elektroni­ schen Geräts (140) und der untere Seitenfläche (160) des mit Öffnungen versehenen Lautsprecherge­ häuses (120) angeordnet ist, wobei ein erster Kam­ merabschnitt (210) auf einer Seite des akustischen Isolators (200) gebildet ist und ein länglicher zweiter Kammerabschnitt (220) auf der anderen Sei­ te des akustischen Isolators (200) gebildet ist, wobei der akustische Isolator (200) einen Spalt (215) aufweist, der es ermöglicht, daß Schall sich von dem ersten Kammerabschnitt (210) zu dem läng­ lichen zweiten Kammerabschnitt (220) ausbreitet;
wobei der erste Kammerabschnitt (210) einen Kam­ merraum aufweist;
wobei der längliche zweite Kammerabschnitt (220) eine Kammerlänge und eine quer zur Kammerlänge gemessene Kammerquerschnittfläche aufweist;
einer ersten Öffnung (12) in der oberen Seitenfläche (140) des tragbaren Computergeräts (100), um zu ermög­ lichen, daß Schallwellen von dem oberen Abschnitt (180) des Lautsprechers (150) emittiert werden; und
einer zweiten Öffnung (110) in der oberen Seitenfläche (140) des tragbaren Computergeräts (100), um zu ermög­ lichen, daß Schallwellen von dem unteren Abschnitt (190) des Lautsprechers (150) durch den ersten Kammer­ abschnitt (210) und den länglichen zweiten Kammerab­ schnitt (220) emittiert werden;
wobei der Kammerraum des ersten Kammerabschnitts (210) geringer als 12,3 cm3 (0,75 in3) ist, die Kammerquer­ schnittfläche des zweiten Kammerabschnitts geringer als 0,52 cm2 ist und die Kammerlänge des zweiten Kammerabschnitts geringer als 4,57 cm ist;
wobei die Schallwellen von dem oberen Abschnitt (180) des Lautsprechers (150) und die Schallwellen von dem unteren Abschnitt (190) des Lautsprechers (150) im we­ sentlichen phasengleich zueinander sind, wenn sie von der ersten (12) und der zweiten (110) Öffnung emittiert werden.
2. Tragbares Computergerät (100) nach Anspruch 1, bei dem der Kammerraum des ersten Kammerabschnitts aus der Re­ sonanzfrequenz des Lautsprechers (150) und der äquiva­ lenten akustischen Anpassung des Lautsprechers (150) bestimmt ist.
3. Tragbares Computergerät (100) nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Kammerquerschnittfläche des zweiten Kam­ merabschnitts aus der Resonanzfrequenz des Lautspre­ chers (150) und der äquivalenten akustischen Anpassung des Lautsprechers (150) bestimmt ist.
4. Tragbares Computergerät (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die Kammerlänge des zweiten Kammer­ abschnitts von der Resonanzfrequenz des Lautsprechers (150) und der äquivalenten akustischen Anpassung des Lautsprechers (150) bestimmt ist.
5. Tragbares Computergerät (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die obere Seitenfläche (140) des trag­ baren Computergeräts eine Auflagefläche ist.
6. Tragbares Computergerät (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem die maximale Leistung des Lautspre­ chers (150) größer als 0,8 Watt ist.
7. Tragbares, Computergerät (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem der akustische Isolator (200) eine Dichtung ist.
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