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Die Neuerung betrifft Gehäuse von Lautsprechern, insbesondere die Dämmung der Gehäusewände gegenüber Schalldurchgang. Lautsprecher werden zumeist mit einem Gehäuse aufgebaut. Das Gehäuse dient der Gestaltung der Wiedergabeeigenschaften, indem es den eingebauten elektro-akustischen Wandlern ein definiertes Luftvolumen bereitstellt. Im Allgemeinen ist der Umstand, dass sich Schallanteile aus dem Inneren des Gehäuses durch die Wände nach außen übertragen, unerwünscht. Ursache des Schalldurchgangs ist die Wirkung des im Gehäuse vorliegenden Schalldrucks auf die Wände, welche sich unter dem wechselnden Druck beschleunigt bewegen. Dies teilt sich der Luft außerhalb mit, welche unter Ausbildung von Schallwellen den bewegten Gehäusewänden ausweicht.
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Für die Fertigung eines Gehäuses kommen verschiedenste Materialien in Betracht. Bei der Auswahl wird ein Kompromiss aus Schalldämmung, Handhabbarkeit und Kosten gesucht. Üblich sind bei Geräten für den allgemeinen Konsum dekorierte Spanplatten, bei geringen Ansprüchen auch thermoplastische Kunststoffe. Bei gehobenen Ansprüchen an die Wiedergabequalität werden die Gehäuse in besonderer Weise ausgestaltet:
- – Matrixbauweise und andere Formen einer kleinteilig wechselweisen Verstrebung gegenüberliegender Flächen
- – massive Materialien wie (Kunst-)Stein, sehr hohe Wandstärken
- – steife Materialien wie Aluminium
- – Laminate aus starren und viskos dämpfenden Materialien, auch mehrschichtige
- – Kombinationen der genannten Methoden
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Nachteil der handelsüblichen Lösungen ist der konstruktive Aufwand mit folgend derart hohen Kosten, dass diese den Wert der eingesetzten elektro-akustischen Wandler deutlich übersteigen können. Im Vergleich mit weniger anspruchsvollen Konstruktionen ist der Aufwand daher kaum zu rechtfertigen. Die spezielle Abstimmung der genannten Maßnahmen ist kompliziert, und im Allgemeinen nicht im voraus berechenbar. Dieser Umstand mindert die Erfolgsaussichten, sodass selbst an vermarkteten aufwändigen Konstruktionen oft noch ein störender Schalldurchgang nachgewiesen werden kann.
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Den genannten Bauweisen ist gemein, dass den Gehäusewänden zuerst die Aufgabe zukommt, für die handhabbare äußere Form des Gehäuses zu sorgen. Unter dieser Bedingung wird versucht, durch Masse oder Steife die Aufnahme von Bewegungsenergie aus nicht weiter spezifizierten Quellen zu mindern, oder die als schon gegeben angenommenen Bewegungen zu dämpfen. Selbst aufwändige Untersuchungen, beispielsweise die nach „Effect of Panel Damping an Loudspeaker Enclosure Vibration", Juha Backman, AES Convention #101, 1996 fokussieren allein auf die Gehäuse, speziell auf die einzelnen Wände als in sich resonant schwingfähige Körper. Die Eigenschaften der in das Gehäuse eingeschlossenen Luft, welche das Arbeitsvolumen des eingebauten elektro-dynamischen Lautsprechers stellt, werden nicht berücksichtigt. Oder sie werden wie in der angegebenen Untersuchung eigens ausgeblendet.
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Weiterhin werden auch im universitären Bereich fortlaufend Untersuchungen angestellt, wie sich ein Lautsprechergehäuse verhält, wenn es mit einem Klöppel angeschlagen wird („Experimental Vibration Analysis of a Loudspeaker Enclosure", Tom Zarembka, Purdue University, Mechanical Engineering Technology, Seminararbeit, ca. 2000). Solche Versuche spiegeln wegen der Fokussierung auf die komplexe Schwingungsmechanik des bloßen Gehäuses „im luftleeren Raum” keineswegs den intendierten Einsatzbereich des Gehäuses als Schallführung.
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Eine alternative, zielführende Problemsicht wird folgend dargestellt.
- – Der Schalldurchgang ist für die Wiedergabeeigenschaften des Lautsprechers weitgehend unschädlich, soweit er gleichmäßig erfolgt, und somit bei der Abstimmung der Gesamtkonstruktion berücksichtigt werden kann.
- – Im unteren Frequenzbereich kann der Schalldurchgang durch ein Aussteifen des Gehäuses hinreichend niedrig gehalten werden.
- – Störend sind resonanzartig auftretende Spitzenwerte des Schalldurchgangs bei höheren Frequenzen.
- – Diese treten bei Eigenresonanzen der Gehäusewände („Plattenschwingungen”) auf. Gleichermaßen übertragen sich auch Resonanzen der Luft im Inneren des Gehäuses durch die Gehäusewände hindurch nach außen.
- – Ursächlich ist die Koppelung der Gehäusewand an das Schallfeld im Inneren des Gehäuses. Es kommt zu einem Impuls- und Energieaustausch, indem der innere Schall an der Gehäusewand reflektiert wird.
- – Die Koppelung kann vermindert werden, wenn die Reflektion nicht an der Gehäusewand stattfindet. Ein zur Gehäusewand alternativer Reflektor sollte bei dem notwendig gegebenen Impulsübertrag aus der Umlenkung der Luft nur einen geringen Energieübertrag an die Gehäusewand weitergeben.
- – Modale Teilschwingungen einer Gehäusewand sind zu vernachlässigen. Ein entsprechender Anregungsmechanismus fehlt bei üblichen Abmessungen von Lautsprechergehäusen. Die von Teilschwingungen ausgehenden Schallwellen würden sich auch wegen ihrer Gegenphasigkeit wechselseitig auslöschen. Nochmals komplexere Vibrationen des Gehäuses, wie etwa Torsion sind für die Wiedergabeeigenschaften von keinem Interesse.
- – Die hier interessierende Grundmode einer Gehäusewandbewegung wird maximal im Zentrum der Fläche angeregt. Am Rand wird diese Schwingung nicht angeregt.
- – Der Frequenzumfang der Schalldämmung kann auf den Arbeitsbereich des in das Gehäuse eingebauten Lautsprechers begrenzt werden.
- – Eine weitergehende Beeinflussung des Schallfeldes innerhalb des Gehäuses wird von der Dämmung nicht gefordert.
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Als Besonderheit eines Lautsprechergehäuses ist noch anzuführen, dass es im Allgemeinen keine wesentlichen Einbauten umschließt. Das Volumen steht für Versteifungen weitgehend frei zur Verfügung, solange es nicht zu stark zerklüftet wird, und dadurch seine akustischen Eigenschaften ändert. Im übrigen soll aus ästhetischen Gründen das Verhältnis von akustisch wirksamem Innenvolumen zum Außenvolumen maximiert werden.
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Der Neuerung liegt die Absicht zu Grunde, die Schalldämmung so zu gestalten, dass sie – dem allgemein geringen Beitrag des Schalldurchgangs zur Wiedergabequalität entsprechend, technisch leicht beherrschbar und kostengünstig ist, einen geringen Volumen- und Gewichtsbedarf aufweist, und dadurch auch nachträglich in bereits aufgebaute Gehäuse eingebracht werden kann, sollten sich diese als problematisch erweisen.
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Die Anordnung nach Anspruch (1) wird den Kriterien der Problemstellung gerecht. Eine schwere, nicht luftdurchlässige Schicht wird ganzflächig oder nur einen mittleren Teil überdeckend innen auf der zu dämmenden Gehäusewand angebracht. Die Verbindung der schweren Schicht mit der Gehäusewand ist hochelastisch. Die schwere Schicht reflektiert statt der Gehäusewand den Schall in das Innere zurück. Wegen ihrer Masse nimmt sie zwar den entsprechenden Impuls auf, gerät jedoch kaum in Bewegung. Deren Übertrag auf die Gehäusewand wird durch die weiche elastische Befestigung stark vermindert, weil sie der Bewegung der schweren Schicht nur wenig Kraft entgegensetzt, und folglich nur wenig Kraft auf die Gehäusewand ausübt. Die Gehäusewand wird vom inneren Schallfeld des Gehäuses entkoppelt.
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Die Bedeutungslosigkeit von modalen Teilschwingungen und Wellenausbreitung reduzieren das räumlich dreidimensionale Problem auf ein eindimensionales, nämlich den beschriebenen linearen Impuls/Energieaustausch der Komponenten. Es kann auch auf eine selbsttragende Stabilität der beteiligten Komponenten verzichtet werden. Die Stabilität wird durch die Gehäusewand bereitgestellt. Die Beschichtung kann kleinteilig und unzusammenhängend erfolgen.
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Die Prinzipien der beschriebenen Entkopplung, insbesondere des mehrschichtigen Aufbaus von Trennwänden aus schweren Materialien im Wechsel mit weichen Materialien, meist Luft, sind in der Akustik Allgemeingut. Diese Methodik wurde jedoch bislang nicht gezielt auf Lautsprechergehäuse angepasst. Realisierungen etwa nach Art der Bauakustik erscheinen wegen des konstruktiven Aufwands und wegen des Volumenbedarfs unattraktiv (
US Patent 20100163335 , USPC 181199, IPC8 AH04R102FI aus 2010). Die je nach Gehäusegröße und Versteifungsmaßnahmen angebbare untere Frequenz, oberhalb der die Dämmung wirksam sein soll, erlaubt entscheidend weniger voluminöse und schlichtere Ausführungen, als sie sonst üblich sind.
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Ausführungsbeispiel A:
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Ein würfelförmiges, geschlossenes Lautsprechergehäuse mit einer Kantenlänge von 24 cm wird aufgebaut. Fünf der sechs Gehäusewände bestehen aus der üblichen 19 mm starken Mitteldichtfaserplatte (MDF). Eine der Seitenwände ist aus nur 12 mm starkem MDF gefertigt. Auf die 12 mm starke Seitenwand wird eine Beschichtung gemäß Anspruch (1) aufgebracht. Sie besteht aus einer quadratischen, 1,5 mm starken Platte aus handelsüblichem Dachdeckerblei von 15 cm Kantenlänge. Diese Platte wird mittels luftdichtem, geschlossenporigen, 5 mm starken Weichschaumstoff als Zwischenschicht elastisch auf der Gehäusewand befestigt. Dabei wird insbesondere der Rand der Platte sorgfältig verklebt. Um die Tragfähigkeit der Befestigung zu erhöhen, wird auch unter der Mitte der Platte Schaumstoff eingesetzt. Die Stärke der Beschichtung liegt damit insgesamt bei 7 mm, die Gesamtstärke der so behandelten Gehäusewand bei wiederum 19 mm.
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Auf der Frontwand des Gehäuses wird ein 20 cm-Basslautsprecher wie üblich montiert, und in Betrieb genommen. Vergleichende Messungen zum Schalldurchgang einer Seitenwand aus 19 mm MDF ohne Beschichtung gegenüber der 12 mm Seitenwand mit Beschichtung weisen eine Verbesserung um mindestens 10 dB nach. Der Schalldurchgang der gewöhnlichen Gehäusewand stört das äußere Nutz-Schallfeld des Lautsprechers durch resonante Spitzen. Das ist auch im Nahfeld der nach Anspruch (1) gedämmten Gehäusewand nicht mehr der Fall. Eine weitergehende Optimierung des Schalldurchgangs ist nicht erforderlich.
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An dem genannten Gehäuse wurde auch geprüft, ob der beschriebene Wirkungsmechanismus für die Verbesserung verantwortlich ist. Die 12 mm starke MDF Seitenwand wurde vor der Beschichtung auf ihre Platteneigenresonanz vermessen. Dazu wurde sie von außen mit einem Klöppel angeschlagen, und der Eigenklang spektral untersucht. Nach der Beschichtung ergab sich bei diesem Test kaum eine Veränderung. Die Seitenwand wirkt demnach nicht etwa bewegungsgedämpft, oder durch höhere Masse bewegungsgehemmt, sondern sie ist tatsächlich entkoppelt.
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Mit einer alternativen Ausführung kann der ohnehin schon geringe Aufwand der Fertigung bei nochmals verringertem Volumenbedarf verringert werden. Nach Anspruch (2) wird die Verbindung der schweren Schicht mit der Gehäusewand nicht statisch luftdicht hergestellt. Stattdessen wird die Eigenschaft offenporiger Schaumstoffe genutzt, dass sie in tieferen Frequenzbereichen dem Schall nur wenig Widerstand entgegensetzen, höhere Frequenzen aber stark zunehmend dämpfen. In tieferen Frequenzbereichen ist das Gehäuseinnenvolumen ein wichtiges Konstruktionsmerkmal. Hier würde die genannte Schaumstoffschicht weiter dem akustisch aktiven Volumen des Lautsprechergehäuses zugerechnet. Eine Dämmwirkung der Anordnung nach Anspruch (1) oder (2) wird erst in höheren Frequenzbereichen erwartet. Dort aber ist der Schaumstoff akustisch nicht mehr transparent. Die hinter der schweren Schicht liegende Gehäusewand wird durch die frequenzabhängige Wirkung des Schaumstoffs bei höherer Frequenz zunehmend vom Schallfeld isoliert, sodass sich eine Wirkung wie aus Anspruch (1) einstellt. Unterstützt wird die Wirkung dadurch, dass die Luft, sofern sie die schwere Schicht umströmt, eine Beschleunigung erfährt, was die dämpfende Wirkung des Schaumstoffs stark erhöht.
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Ausführungsbeispiel B:
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Ein Gehäuse wie in Ausführungsbeispiel (A) wird aufgebaut. Die Beschichtung hat das gleiche quadratische Format wie in (A). Die schwere Schicht besteht aus dem gleichen Dachdeckerblei. Dieses wird hier abweichend auf eine gleichformatige Schicht von 5 mm starkem, offenporigen Melaminharz-Schaumstoff (Handelsbezeichnung „Basotect”) geklebt. Diese weich-elastische Schicht wird wiederum auf die Gehäusewand geklebt.
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Eine Prüfung der Schalldämmung ergab die gleichen Ergebnisse, das ist eine Verbesserung um mindestens 10 dB gegenüber einer gewöhnlichen Gehäusewand. Damit ist auch hier keine weitere Optimierung erforderlich.
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Vorteilhaft ist, dass der effektive Volumenbedarf der Dämmung nach Anspruch (2) allein der der schweren Schicht ist, während der offenporige Schaumstoff weiter zum aktiven Volumen des Gehäuses beiträgt. Der Volumenverlust kann in der beispielhaften Ausführung mit Blei selbst bei kleinen Gehäusen vernachlässigt werden. Zudem ist die nach Anspruch (1) kritische Luftdichtigkeit hier kein Anwendungsproblem mehr.
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Sowohl für Ausführungen nach Anspruch (1) als auch nach Anspruch (2) kann die Frequenz, ab der die Dämmwirkung einsetzt abgeschätzt werden. Die schwere Schicht bildet mit der elastischen Befestigung einen Resonator aus. Unterhalb dessen Resonanzfrequenz ist die Bewegung der schweren Schicht elastizitätsgehemmt, darüber massegehemmt. Der Wirkungsweise entsprechend wird eine Massehemmung angestrebt. Schon mit kostengünstigen, alltäglichen Komponenten lassen sich leicht Resonanzfrequenzen erzielen, die deutlich unterhalb von etwa 200 Hz liegen. Für kleine, oder entsprechend versteifte Lautsprechergehäuse ist das ausreichend, um die auftretenden Spitzen im Schalldurchgang effektiv zu dämmen. Eine weitergehende Abstimmung entfällt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- „Effect of Panel Damping an Loudspeaker Enclosure Vibration”, Juha Backman, AES Convention #101, 1996 [0004]
- „Experimental Vibration Analysis of a Loudspeaker Enclosure”, Tom Zarembka, Purdue University, Mechanical Engineering Technology, Seminararbeit, ca. 2000 [0005]