DE19717303C1

DE19717303C1 - Rückseitig gespeistes Exponential-Lautsprechergehäuse

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Publication number: DE19717303C1
Application number: DE1997117303
Authority: DE
Inventors: Norbert Dipl Ing Daalmanns
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1997-04-24
Filing date: 1997-04-24
Publication date: 1998-10-01
Anticipated expiration: 2017-04-25

Description

Es ist bekannt, daß Exponentialgehäuse , deren Querschnittsfläche des in nern Schallgangs nach einer beliebigen mathematischen Funktion vom Schall eintritt am Anfang bis zum Schallaustritt am Ende zunimmt, zur Verbesse rung der Schallabstrahlung eingesetzt werden.

Zur Theorie auf diesem Gebiet sei z. B. auf folgendes Lehrbuch verwiesen:

Meyer, Neumann; Physikalische und Technische Akustik; Vieweg Verlag, Braunschweig, 1967; Seite 128....135 u. a..

Der bisherige Stand der Technik auf dem gesamten Gebiet rückseitig einge speister Exponential-Lautsprecher ist gegenwärtig bekannt aus den folgen den Quellen:

1. Bücher:

[1.1] Berndt Stark; Lautsprecherhandbuch; Pflaum Verlag, München; 5. Auf lage, 1992 auf Seite 171, 271....276

[1.2] Jürgen Tech; Lautsprecherboxen; Frech-Verlag, Stuttgart; 8. Auflage, 1993 auf Seite 52....63

[1.3] H. H. Klinger; Lautsprecher und Lautsprechergehäuse für HiFi; Fran zis-Verlag, München; 4. Auflage 1968 auf Seite 63....76; 5. Auflage 1970 auf Seite 73....85; 9. Auflage 1978 auf Seite 102....110

2. Zeitschriften

[2.1] Klang & Ton; verschiedene Ausgaben: Heft 8-9/88 auf Seite 58....63; Heft 12/88-1/89 auf Seite 26....33; Heft 4/91 auf Seite 49....53; Heft 5/92 auf Seite 6....21; Heft 4/94 auf Seite 6....16, 46....51; Heft 2/96 auf Seite 50....54; Heft 5/96 auf Seite 64....69; Heft 2/97 auf Seite 6....13;

[2.2] elektor plus Nr. 1; HiFi-Boxen im Selbstbau, Sonderausgabe 1985 auf Seite 34....36

[2.3] elrad extra; HiFi-Boxen; Nr. 4, Sonderausgabe 1986 auf Seite 96....100; Nr. 6, Sonderausgabe 1987 auf Seite 14...18

3. Firmenveröffentlichungen

[3.1] ACR, Brändli + Vögeli AG, Bohrturmweg 1, CH-8437 Zurzach; Bau pläne diverser Modelle: Typ BK 101, BK 161, BK 201, BK 202, u. a.; teilweise evtl. unter 2.1 bereits erwähnt.

Bekannte Konstruktionen

Das insgesamt gesehen beste bekannte Gehäuse wird beschrieben in der Zeitschrift Klang & Ton; Heft 5/96 auf Seite 64....69. Die Abstimmung ist eine gewöhnliche mit A₁ ≈ 0,51 A_M (→ Seite 2) und der Aufbau geschieht entspre chend dem Stand der Technik mit den üblichen Span- oder MDF-Platten. Die aus der Zeichnung entnehmbaren Kennwerte lauten unter Vernachlässigung der Meßfehler: l = 2,96 m; V_i = 52,4 dm³; A₁ = 24,6 cm²; A₂ = 603 cm² ⇒ K ≈ 47,3. Diese Konstruktion benötigt trotz ihrer Unterlegenheit gegenüber beiden Bei spielen 10 mit Gehrungen versehene, arbeitsintensiv einzupassende Teile für den inneren Schallgang zuzüglich einer aufwendigen Bedämpfung, was einen erheblich höheren Fertigungsaufwand bei der Herstellung bedeutet!

Eine weitere gute Konstruktion wird beschrieben in der Zeitschrift Klang & Ton; Heft 12/88-1/89 auf Seite 26....33. Die aus der Zeichnung entnehmba ren Kennwerte lauten unter Vernachlässigung der Meßfehler: l = 2,04 m; V_i = 218 dm³; A₁ = 140 cm²; A₂ = 3613 cm² ⇒ K ≈ 47,7. Dieses Gehäuse ist jedoch noch aufwendiger im Aufbau als das o. g.

Die Gehäuse mit der bisher besten Raumausnutzung werden in Literatur [1.2] beschrieben. Da sie jedoch eine äußerst ungewöhnliche Abstimmung mit extrem kleinen Werten von A₁ aufweisen, wäre zur analytischen Untersuchung eine kleine Änderung an der Erfindung lt. Patentanspruch 1 vorzunehmen. Beim Beispiel nach Bild 1 müßten die Teile 1a, 1b vergrößert werden, was ohne die geringsten technischen Probleme möglich wäre. Durch diese Maßnahme verringerte sich der Querschnitt am Anfang des Schallgangs ohne die Werte von Lauflänge, Austrittsfläche und Innenvolumen zu beein flussen. Hierdurch könnte die Eingangsfläche beliebig auf die in [1.2] erwähn ten Werte angepaßt werden (was umgekehrt jedoch unmöglich wäre), und der Vergleich kann mit der flächengewinnspezifischen Gehäusekonstante erfol gen: K_S = K/g = l . A₂/V_i = 3,79 oder 3,52.

Die Forderungen, die bei Konstruktion o. g. Gehäuse bzw. Lautsprecheran lagen erfüllt werden müssen lauten insbesondere u. a.:

- bestmögliche Klangqualität und gutes Impulsverhalten
- Vermeidung unerwünschter Resonanzerscheinungen
- kleines Volumen
- niedrige untere Grenzfrequenz
- hoher Wirkungsgrad
- hoher Pegelgewinn (max. Schallpegel bei festgelegtem Klirrfaktor)
- niedrige Produktionskosten

Um dies zu erreichen gilt als Folgerung der Theorie sowie aus wirtschaftli chen und gestalterischen Gründen u. a.: l, die mittlere Lauflänge der Schall wellen, muß möglichst groß sein und die Austrittsfläche A₂ der Schallab strahlung muß möglichst groß sein und der erreichte Flächengewinn g = 10 . lg|A₂/A₁| muß möglichst groß sein und das Volumen V des Gehäuses muß möglichst klein ausfallen, und dies alles bei geringstem Fertigungsauf wand.

Der im Patentanspruch 1 angegebenen Vorrichtung liegt das Problem zu grunde, daß bei einem qualitativ hochwertigen Gehäuse alle genannten For derungen möglichst optimal erfüllt werden müssen. Dieses Problem - also die "Summe", oder besser gesagt das "Produkt" aller Anforderungen - wird mit tels der in den Patentansprüchen angegebenen Erfindung(en) wesentlich bes ser gelöst als durch den derzeitig bekannten Stand der Technik. Die bisheri gen Ausführungen weisen alle deutliche Nachteile auf.

Erläuterung zu Patentanspruch 1

Die Gehäusekonstante K stellt eine normierte, von der Baugröße des zu un tersuchenden Gehäuses unabhängige Vergleichsgröße dar:

l: mittlere Lauflänge der Schallwellen von der Membranrückseite des ein gebauten Lautsprechers [Teil LS] bis zum Schallaustritt aus dem Gehäuse bei A₂; gemessen in Schallgang und Druckkammer in m.

V_i: Innenvolumen des zu untersuchenden Gehäuses in m³. Hierauf muß deshalb abgestellt werden, weil der Grad der inneren Raumausnutzung eines Gehäuses nicht von der frei wählbaren Stärke der Außenwände abhängt. Setzte man statt dessen das Außenvolumen ein, so würde der Raumbedarf aller äußeren Wände mit schrumpfender Baugröße den K-Wert immer stärker in unzulässiger Weise verkleinern.

A₁: Eintrittsfläche der Schallwellen in den Schallgang nach dem Passieren der Druckkammer; berechenbar aus Eingangsöffnungsweite . Gehäuseinnen tiefe (bezogen auf die dargestellten Seitenansichten) in m². Aus physikali schen Gründen ist A₁ bei gewöhnlicher Abstimmung mit ungefähr 45%....70% der Lautsprecher-Membranfläche festgelegt: A₁≈ 0,45....0,7 A_M. Es handelt sich bei A₁ um eine vorgegebene Konstante, nur die restlichen Größen sind variabel! Bei Werten von A_{1 <} 0,45 A_M müssen die Vergleichsgehäuse aneinan der angepaßt werden, was mathematisch und technisch keinerlei Probleme aufwirft (→ Seite 7). Geschähe dies nicht, so würde sich fälschlicherweise durch stetiges Verkleinern von A₁ das Gehäuse immer weiter "verbessern". Eine weitere Möglichkeit besteht in der Anwendung einer flächengewinnspe zifischen Gehäusekonstante K_S= K/g = l . A₂/V_i.

A₂: Austrittsfläche der Schallwellen nach dem Durchlaufen des Schallgangs; berechenbar aus Ausgangsöffnungsweite . Gehäuseinnentiefe (bezogen auf die dargestellten Seitenansichten) in m².

Erläuterung zur Austrittsflächenvergrößerung (Bild 3) nach Patentanspruch 3

Die vorhandene Wandstärke w der die Austrittsfläche umkleidenden Platten kann durch eine Abschrägung derselben nach innen bis auf den kleinstzuläs sigen Wert c vermindert werden. Hieraus resultiert aufgrund des entnomme nen Materials auf den letzten cm der Lauflänge ein stetiger Flächenzuwachs, der am Ende - also bei l - seinen Höchstwert erreicht, und dessen Verlauf vom Winkel α abhängt.

Bei der Zeichnung auf Bild 3 ist ein allgemein gehaltener, völlig beliebiger Schallaustritt in der Draufsicht von innen gesehen dargestellt. Ohne Anwen dung des Patentanspruchs 3 beträgt die Austrittsfläche A₂₀= b₀ . t. Wird jedoch die genannte Abschrägung angebracht, so folgt: A_2max= (b₀+ 2a) . t. Bei t han delt es sich um die in der Zeichnung nicht erkennbare Tiefe der Schallaus trittsöffnung.

Zum leichteren Verständnis ist die Wirkung der Maßnahme auf Bild 3 nur in der Breite dargestellt. Bei der praktischen Ausführung ist die Flächenvergrö ßerung selbstverständlich in Breite und Tiefe anwendbar, sofern es technisch möglich ist. D. h., daß das Verfahren gemäß Patentanspruch 3 z. B. bei den Ausführungen auf Bild 1 und 2 an den beiden Seitenwänden (von vorne ge sehen) und am Boden, nicht jedoch an Teil 4 (weil bereits schon abgeschrägt) anwendbar wäre.

Am Ende des Schallgangs sollte eine gewisse Materialstärke c erhalten blei ben, um die mechanische Widerstandsfähigkeit zu sichern.

Ein weiterer Vorteil ist der strömungstechnisch günstigere Übergang zwi schen Gehäuse und Außenraum, weil hierdurch weniger Luftverwirbelungen und somit Abstrahlverluste auftreten.

Die Austrittsflächenvergrößerung nach Patentanspruch 3 ist grundsätzlich bei jeder beliebigen Ausführung wahlweise anwendbar.

Selbstverständlich steigt der Fertigungsaufwand durch Anwendung dieses Verfahrens, was sich jedoch in Hinblick auf die gesamten Herstellungskosten und die hiermit erreichbaren Vorteile stark relativiert. Des weiteren ist zu be rücksichtigen, daß die Gehäuse dadurch noch kleiner und somit preisgünsti ger werden - wodurch also ein gewisser Ausgleich geschaffen wird.

Erreichbare Verbesserungen und (deren) Funktionsweise

1. Die nach Gleichung [1] berechneten Gehäusekonstanten aller bekannten Ausführungen liegen unter Vernachlässigung der Meßfehler in einem Bereich von 10 < K< 48. Jene der im Patentanspruch 1 genannten liegen jedoch, wie die Beispiele beweisen, mit K₀ < 54 deutlich darüber.

D. h., daß die Gehäuse gemäß Patentanspruch 1 bei geg. Werten von l, A₂ und g ein wesentlich kleineres Volumen aufweisen oder aber bei gleichem Volumen eine niedrigere untere Grenzfrequenz und einen höheren Pegelge winn anbieten.

Weil der größte Teil der Gehäusevorderseite eine Öffnung darstellt, wirkt das scheinbare Außenvolumen für den Betrachter deutlich kleiner als das tatsäch liche.

2. Durch die im Patentanspruch 1 unter Pos. 'b' und/oder Pos. 'c' genannten Verfahren werden unerwünschte Resonanzerscheinungen und höhere Fre quenzanteile im Schallgang (insbesondere an den kritischen Umlenkecken) weitestgehend bedämpft. Dies erfolgt - neben einer geeigneten Faltungsgeo metrie - durch mehr und/oder weniger schalldämpfende Werkstoffe, ohne den vorhandenen Strömungswiderstand des Kanals zu erhöhen. Bei den be kannten Gehäusen werden jedoch stellenweise in den Schallgang und/oder die Druckkammer Dämpfungsmaterialien (z. B. Noppenschaumstoff, Poly esterwatte oder Filz (aufgeklebt an den Innenwänden)) eingebracht; dies hat (neben erhöhtem Kostenaufwand) eine Wirkungsgradverminderung und evtl. u. U. eine Verschlechterung des Impulsverhaltens zur Folge.

Gegenüber älteren Konstruktionen, die wegen der erwähnten Gründe aus Weichfaserplatten bestehen und damit vergleichbare Dämpfungseigenschaften erzielen (→ Quellennachweis 1.2; 1.3), bieten die Gehäuse gemäß Patentan spruch 1 eine wesentlich größere Steifigkeit bzw. Festigkeit mit allen daraus resultierenden akustischen Vorteilen an.

3. Durch Einsatz der Formkörper nach Patentanspruch 1 Pos. 'b' und/oder Eckfüllungen nach Patentanspruch 1 Pos. 'c' verringert sich der Fertigungs aufwand signifikant.

4. Durch das im Patentanspruch 1 unter Pos. 'd' genannte Verfahren werden die bekannten Störeinflüsse der Schallwand [Teil 3] (die bei den bisherigen Gehäusen wesentlich größer ausfällt) in vertikaler Richtung weitestgehend ausgeschlossen, da selbige annähernd nicht mehr vorhanden ist. Für Ausfüh rungen, welche von vorne gesehen nur eine geringfügig größere Breite als der eingebaute Lautsprecher [Teil LS] aufweisen, gilt das Erwähnte auch in hori zontaler Richtung. Wird das Gehäuse deutlich breiter, so ist eine Abschrä gung/Anfasung der beiden oberen Ecken sinnvoll, um die optimale Abstrahl charakteristik zu erreichen. Hieraus folgt ein Vorteil gegenüber bekannten Konstruktionen, bei denen dies nicht zutrifft.

5. In der Druckkammer, in welcher sich der eingebaute Lautsprecher [Teil LS] befindet, wird das Auftreten stehender Wellen entweder durch Einsatz mehr und/oder weniger schalldämpfender Materialien nach Patentanspruch 1 Pos. 'b' [Teil 1a] oder durch Antiparallelität derselben mittels der Teile 10 und 11 möglichst vermieden.

Hieraus folgt ein weiterer Vorteil gegenüber einigen bekannten Konstruktio nen, bei denen dies nicht der Fall ist.

Aus den genannten Punkten resultiert eine deutlich bessere Klangqualität bei kleinerem Gehäusevolumen und verminderten Kosten, wobei der Grad der Ersparnis ausführungsabhängig ist.

Wie die Ausführungsbeispiele zeigen, läßt sich die in den Patentansprüchen genannte Erfindung wahlweise nach technischen oder wirtschaftlichen Ge sichtspunkten optimieren. Hierdurch ergeben sich vornehmlich 2 besonders vorteilhafte Ausgestaltungsmöglichkeiten für die Realisierung:

Kostenoptimiertes Ausführungsbeispiel (Bild 1)

Dieses ist trotz seiner klanglichen und technischen Überlegenheit (Gehäuse konstante K₀ = 54,4; Steigerung auf K_max = 63,5 mittels Patentanspruch 2 mög lich) gegenüber allen bekannten konventionellen Konstruktionen, einfacher und preisgünstiger als jene aufzubauen. Unter Einsatz der im Patentanspruch 1 unter Pos. 'b' genannten Formkörper sowie Eckfüllungen nach Pos. 'c' mit ge eigneten Dämpfungseigenschaften in Verbindung mit einer außergewöhnli chen Faltungsgeometrie ist es gelungen, den gesamten inneren Schallgang aus nur 2 Platten [Teile 4 und 5] und einer unteren Umlenkstrebe [Teil 6] auf zubauen.

Die Formkörper [Teile 1a, 1b] können beispielsweise aus preisgünstigen Hart schaumprodukten mit den Warenzeichen "Styropor", "Styrodur", oder aus aufeinandergeleimten Spanplatten mit unbehandelten Schnittkanten beste hen, die nach gängigen Verfahren entsprechend der Zeichnung geformt und eingeklebt werden (hier seien aus der großen Vielzahl der Möglichkeiten und deren Kombinationen nur 3 genannt); Eckfüllungen s. u.

Technisch optimiertes Ausführungsbeispiel (Bild 2)

Bei einem mit dem bisherigen Stand der Technik vergleichbaren Fertigungs aufwand (8 mit Gehrungen versehene Platten für den inneren Schallgang) handelt es sich hierbei um eine Ausführung mit der größtmöglichen Gehäu sekonstante von K₀= 67,9. Höchstwerte mit K_max = 79,1 sind erreichbar durch Anwendung von Patentanspruch 2. Dadurch werden die unter Punkt '1' be schriebenen Vorteile unter Beibehaltung der Punkte '2', ('3'), '4', '5' und '6' noch weiter vergrößert. Erreicht wird dies durch eine bestmögliche Gestaltung der inneren Raumausnutzung bzw. Faltungsgeometrie gemäß Zeichnung.

Die Eckfüllungen nach Patentanspruch 1 Pos. 'c' [Teile 2] könnten hierbei z. B. aus handelsüblichen Schaumstoffen, aus preisgünstigen, leicht zu bearbeiten den Hartschaumprodukten mit dem Warenzeichen "Styropor" oder aus PU-Montageschaum (Einbringung in die Ecken mittels während der Aushär tungszeit befestigter, antihaftbeschichteter Führungsbleche) ausgeführt wer den. Dies bewirkt einen erheblich verminderten Arbeitsaufwand gegenüber einzupassenden Holzplatten und Vorteile nach '2'. Hier seien ebenfalls aus der großen Vielzahl der Möglichkeiten und deren Kombinationen nur 3 genannt. In Sonderfällen könnten auch die Teile 10, 11 entfallen und Teil 9 in doppel ter Stärke in Richtung Teil LS ausgeführt werden, wobei sich allerdings auf grund einer Lauflängenverkürzung von etwa 18 cm die Gehäusekonstante hierbei auf K₀ ≈ 64,2 verringerte.

Als Endergebnis folgt, daß diese Ausführung bei geg. Werten von l, A₂ und g ein noch kleineres Volumen aufweist oder aber bei gleichem Volumen eine noch niedrigere untere Grenzfrequenz und einen höheren Pegelgewinn in Verbindung mit gesteigerter Klanggüte anbietet als alle bekannten Konstruk tionen.

Als Bestückung gelangen handelsübliche Tiefmitteltonlautsprecher [Teil LS] nach dem dynamischen Prinzip in beiden Ausführungsbeispielen zum Ein satz. Der Hochtonbereich kann z. B, über eigens auf die Gehäuse aufsetzbare, handelsübliche Hochtöner mit passenden technischen Daten übertragen wer den, was jedoch für die Patentansprüche ebenso unerheblich ist, wie die ma thematische Öffnungsfunktion A_X = f(x; l).

In einer Ausführung für 1 Tiefmitteltonlautsprecher von 20 cm Nenndurch messer und einer Resonanzgüte von Q_t ≈ 0,22 ergeben sich die folgenden Kennwerte:

Die Lauflänge setzt sich zusammen aus mittlerer Schallganglänge und mitt lerer Strecke durch die Druckkammer, wie bereits beschrieben. Sie wurde an einem 1 : 1 - Anriß mit einem relativen Fehler von |f| ≦ 0,5% gemessen. V_i, A₁, A₂ sind fehlerfrei, weil sie aus den festgelegten Nennwerten folgen.

Durch die auf Seite 8 erwähnte Flächenvergrößerung resultieren die 2. Werte bei der Ausgangsfläche und daher auch bei der Gehäusekonstante.

Mit einem Paar dieser Schallwandler läßt sich ohne hörbare Verzerrungen in 2 m Entfernung ein relativer Schallpegel von p ≈ 113 dB (c) messen.

Wie man leicht erkennt, ist selbst schon das kostenoptimierte Ausführungs beispiel nach Bild 1 (ohne Flächenvergrößerung → Seite 8) noch technisch überlegen mit K_So = 3,89! Weiter muß berücksichtigt werden, daß die Gehäuse nach [1.2] extrem aufwendig aus 13 bzw. 14 kompliziert einzupassenden In nenteilen aufgebaut werden müssen. Durch die (annähernd) quadratische Bauform ist die Aufstellung weder als Regalgehäuse noch als Standgehäuse sinnvoll möglich. Des weiteren gilt das unter Punkt '2' Gesagte bezüglich Konstruktionen aus Weichfaserplatten und die Aussagen von '4'.

Das technisch optimierte Ausführungsbeispiel nach Bild 2 vergrößert die Vorzüge noch weiter mit K_So = 4,82; wofür es nur 8 mit Gehrungen versehene Platten für den inneren Schallgang benötigt. Die Verkleinerung der Eingangs fläche könnte hier sehr leicht durch eine Erhöhung der Wandstärke der Teile 7, 8, 9 und 10 erfolgen ohne die Werte von Lauflänge, Austrittsfläche und In nenvolumen zu beeinflussen.

Würden bei den Ausführungsbeispielen noch die Flä chenvergrößerungen gemäß Patentanspruch 3 angebracht, so vergrößerten sich die Vorteile noch mehr.

Claims

1. Rückseitig gespeistes Exponential - Lautsprechergehäuse, mit einem Schallgang und einer Schallwand, bei dem

a) der Schallgang mittels Formkörpern und/oder Konstruktionsplatten auf gebaut ist,
b) die größte Öffnungsweite des Schallgangs an der Frontseite des Gehäu ses unter der Schallwand entsteht,
c) der Schallgang gefaltet ist und die inneren Formkörper oder Konstrukti onsplatten durch die Faltungsgeometrie bedingte, charakteristische Formen bilden, und
d) im Schallgang Eckfüllungen vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß eine Gehäusekonstante K

l: mittlere Lauflänge der Schallwellen von der Membranrückseite des einge bauten Lautsprechers [Teil LS] bis zum Schallaustritt aus dem Gehäuse bei A₂; gemessen in Schallgang und Druckkammer in m.
V_i:Innenvolumen des zu untersuchenden Gehäuses in m³.
A₁: Eintrittsfläche der Schallwellen in den Schallgang nach Passieren der Druckkammer; A₁ = Eingangsöffnungsweite . Gehäuseinnentiefe (bezogen auf die Seitenansicht) in m².
A₂: Austrittsfläche der Schallwellen nach dem Durchlaufen des Schallgangs; bezogen auf die Seitenansicht gilt: A₂ = Ausgangsöffnungsweite . Gehäuse innentiefe in m².

2. Rückseitig gespeistes Exponential-Lautsprechergehäuse gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Eckfüllungen und/oder die Formkörper aus schalldämpfenden Mate rialien bestehen.

3. Rückseitig gespeistes Exponential-Lautsprechergehäuse gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die die Austrittsfläche umkleidenden Platten nach innen abgeschrägt sind.