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Bekannt, aber praktisch nicht genutzt sind ferner Richtelemente in
Form langgestreckter Platten, die von einem Ende her zu fortschreitenden Biegewellen
erregt werden (Fig. 1). Sobald die Biegewellengeschwindigkeit und damit die Wellenlänge
Ap auf der Platte größer ist als die Schallgeschwindigkeit und damit die Wellenlänge
iL des Schalles in Luft, erfolgt eine gerichtete Schallabstrahlung unter dem Winkel
or
gegen die Plattenoberfläche. Der Abstrahlungswinkel a ergibt sich aus der Beziehung
cos a = RL/RP.
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Normalerweise steigt die Biegewellengeschwindigkeit Cb in einer (homogenen)
Platte mit der Quadratwurzel aus der Frequenz co an:
wobei B die Biegesteife und M die Masse ist.
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Zur Unterdrückung der Abhängigkeit der Biegewellengeschwindigkeit
von der Frequenz ist es bekannt, die schwingenden Platten sandwichartig aufzubauen
(deutsche Patentschrift 1132593). Dieser Aufbau ist dadurch gekennzeichnet, daß
zwischen zwei parallelen zugsteifen Deckschichten ein leichter, drucksteifer Kern
mit sehr geringer Längs steifigkeit liegt. Es läßt sich dadurch erreichen, daß die
Abhängigkeit der Biegewellengeschwindigkeit von der Frequenz in einem hinreichend
großen Frequenzbereich entfällt, die Biegewellengeschwindigkeit Cb und damit der
Abstrahlungswinkel o; also näherungsweise frequenzunabhängig werden. Wählt man zudem
das Verhältnis von Biegesteife B zu Masse M der Platte so groß, daß cb größer als
CL (Schallgeschwindigkeit in Luft) wird, dann erhält man eine zur gerichteten Schallabstrahlung
in einem breiten Frequenzbereich geeignete Platte. Die Möglichkeit, eine solche
Platte als Richtelement zu verwenden, ist an sich bekannt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein solches von einem Erregersystem
zu Translationsschwingungen erregtes Richtelement für einen Richtlautsprecher zu
verwenden. Dies erfordert einen reflexionsfreien Abschluß an beiden Enden des Richtelementes,
weil eine am Ende der Platte reflektierte Biegewelle zur Abstrahlung einer zweiten
Luftschallwelle unter dem Winkel 1800 bis a führen würde und überdies unerwünschte
Resonanzerscheinungen zur Folge hätte, die die Frequenzkurve des Lautsprechers nachteilig
beeinflussen würden. Im Zusammenhang damit ist ein weiteres Ziel der Erfindung eine
Anpassung des Erregersystems an die baulichen Gegebenheiten des Richtelementes.
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Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung in der Weise gelöst, daß die
Deckschichten an beiden Enden des Richtelementes über den Plattenkern überstehen
und in diesen Bereichen sowohl zur Halterung des Richtelementes dienen als auch
mit Körpern oder Schichten eines Werkstoffs belegt sind, der hohe innere Deformationsverluste
(hohe Dämpfung) aufweist.
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Zwischen den Deckschichten des Richtelementes läßt sich in Weiterbildung
der Erfindung das Erregersystem unterbringen, und zwar entweder in einem Hohlraum
am Ende des Plattenkerns oder in besonders vorteilhafter Weise im Bereich der erfindungsgemäßen
Verlängerungen der Deckschichten über den Kern hinaus.
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Wird zur Dämpfung ein Dämpfungskörper verwendet, so kann dieser in
Form eines Quaders zwischen den überstehenden Enden der Deckschichten angeordnet
sein.
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In einer anderen Ausführungsform kann die Halterung des Richtelementes
ganz oder nur in ihren die Deckschichten aufnehmenden Bereichen aus nachgiebigem,
dämpfendem Werkstoff bestehen.
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Sind auf den Innenflächen der überstehenden Enden der Deckschichten
Dämpfungsschichten aufgebracht, so können diese vorteilhaft durch einen Quader aus
selbst nicht verlustbehaftetem Werkstoff miteinander verbunden sein. Hierbei kann
in einer besonderen Ausführung der Erfindung zwischen den belegten überstehenden
Enden der Deckschichten je ein weiteres wie das Richtelement aufgebautes Teilstück
eingefügt sein, das seinerseits mit seinen überstehenden Enden in der Halterung
befestigt ist.
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Mit besonderem Vorteil lassen sich als Erregersystem für den Richtlautsprecher
piezoelektrische Biegeschwinger verwenden, die sich einzeln oder zu mehreren zwischen
den überstehenden Enden der Deckschichten des Richtelementes unterbringen lassen
und auf der einen Seite mit der Halterung und auf der anderen Seite mit dem Plattenkern
des Richtelementes verbunden sind. In neuerer Zeit sind Biegeschwinger aus ferroelektrischen
keramischen Werkstoffen bekanntgeworden, die aus zwei dünnen, mit Elektroden belegten
Keramikstreifen bestehen, die fest miteinander verbunden und einseitig oder beidseitig
in einem Schwingungsknoten eingespannt werden (deutsche Auslegeschrift 1 101 032).
Zur Verbesserung der Lebensdauer wird zwischen den Keramikstreifen ein etwa gleich
starker Metallstreifen angeordnet Eine Eigentümliohkeit solcher »bilaminaren« Biegeschwinger
ist ihre elektrische Polarisation in Richtung ihrer Dicke. Diese Polarisation hat
zur Folge, daß die Frequenz der angeregten mechanischen Schwingung gleich derjenigen
der an die Elektroden angelegten Anregungsspannung ist.
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Besonders vorteilhaft ist die Verwendung bilaminarer Biegeschwinger,
deren Polarisation oder Anregung in zwei Hälften ihrer Länge beiderseits ihrer Mitte
entgegengesetzt gewählt wird, so daß sie sich im Betrieb S-förmig deformieren, während
ihre Enden annähernd die Richtung ihrer Ruhestellung beibehalten. Es wurde nämlich
erkannt, daß diese Schwingungsform der Bewegungsform der überstehenden Enden der
Deckschichten eines erfindungsgemäßen Richtelementes konform ist, wie sich im folgenden
noch zeigen wird, so daß sich eine besonders einfache und wirksame Kombination von
Halterung, Dämpfung und Anregung des Richtelementes mit ganz einfachen Mitteln erreichen
läßt.
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Die Erfindung wird an Hand einiger Beispiele näher erläutert, die
in der Zeichnung schematisch dargestellt sind. In dieser zeigt F i g. 1 eine Seitenansicht
einer in gerichteter akustischer Abstrahlung schwingenden Platte als Richtelement
eines Richtlautsprechers, F i g. 2 ein Ende eines plattenförmigen Richtelementes
in Sandwichbauweise mit über den Plattenkern überstehenden, mit Dämpfungsschichten
beleg--ten Enden und deren starre Einspannung, F i g. 3 eine Ausführung nach F i
g. 2 mit nachgiebiger Einspannung, F i g. 4 ein Detail einer Ausführung ähnlich
F i g. 3 mit einer Dämpfungsschicht, die mit einer zugsteifen Deckschicht belegt
ist, F i g. 5 eine Anordnung mit einem zwischen die überstehenden Enden des Richtelementes
eingefügten, in gleicher Weise aufgebauten Verbindungsstück zur Halterung und Fig.
5 a und 5b schematische Darstellungen der Deformationen bei Transversal- bzw. Drehbewegungen,
F
i g. 6 eine Kombination der Anordnungen nach Fig.2 und Fig. 5, Fig.7 eine schematische
Darstellung einer bekannten Anordnung zur Erregung eines Richtelementes, F i g.
8 eine Anordnung mit am Ende des Plattenkerns in einem Hohlraum untergebrachten
elektrodynamischen Erregersystem, Fig. 9 eine Anordnung mit zwischen den überstehenden
Enden der Deckschicht untergehrachtem piezoelektrischen Biegeschwinger, Fig. 10
ein Erregersystem ähnlich Fig.9 aus zwei sich S-förmig deformierenden Biegeschwingern
und F i g. 11 eine Anordnung mit auf den überstehenden Enden der Deckschicht zusammen
mit Dämpfungsschichten aufgebrachten, sich S-förmig deformierenden Biegeschwingern,
Fig. 12 eine perspektivische Darstellung einer Hälfte eines Richtlautsprechers mit
in einer Schallwand angeordnetem plattenförmigem Richtelement, Fig. 13 einen Längsschnitt
durch einen Richtlautsprecher nach der Erfindung für stereofonische Übertragung
und Fig. 14 ein Schaubild zur vergleichsweisen Erläuterung des stereofonen Eindrucks
bei Verwendung zweier Einzellautsprecher.
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In F i g. 2 ist die Maßnahme nach der Erfindung veranschaulicht.
Die funktionell notwendigen zugsteifen Deckschichten 1 und 2 der Sandwichplatte
werden über den leichten, drucksteifen Kern 3 hinaus an beiden Plattenenden verlängert
und zur tragenden Befestigung 4 der Platte mit herangezogen. Wird jetzt die Sandwichplatte
durch die Erregung aus ihrer Ruhelage ausgelenkt, dann werden die überstehenden
Enden der Deckschichten, wie in Fig. 2 punktiert angedeutet, deformiert, also S-farmig
gebogen. Durch Aufbringen einer verlustbehafteten Schicht 5 auf die überstehenden
Enden der Deckschichten ist es bei dieser Anordnung bereits möglich, eine Biegewellenreflexion
am Ende der Platte weitgehend zu verhindern.
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Ein hohen Ansprüchen genügender reflexionsfreier Abschluß für Biegewellen
ist allerdings nur möglich, wenn am Plattenende sowohl die Transversalbewegung als
auch die Drehbewegung der Biegewelle mit dem zugehörigen Wellenwiderstand abgeschlossen
werden. In dem Frequenzbereich allerdings, in dem bei der Sandwichplatte die Biegewellengeschwindigkeit
konstant ist, darf man korrekterweise nicht von Biegewellen sprechen, weil bei den
dann auftretenden Transversalwellen die Drehbewegung praktisch entfällt, so daß
ein Abschluß wie in Fig. 2 gezeigt, ausreichend ist. In der Praxis muß aber auch
bei tiefen Frequenzen, bei denen stets echte Biegewellen auftreten, der Abschluß
reflexionsfrei sein. Man kann das gemäß der Erfindung dadurch erreichen, daß man
auch die Halterung 4 selbst aus nachgiebigem, verlustbehaftetem Werkstoff herstellt
oder daß man einen solchen Werkstoff 6 in die Halterung einlegt (vgl. F i g. 3),
damit eine Längsbewegung der Deckschichten und damit eine Drehbewegung der Sandwichplatte
ermöglicht wird.
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Eine weitere Erhöhung der Dämpfung kann gemäß der Erfindung dadurch
erreicht werden, daß man die Dämpfungsschichten 5 mit einer zugsteifen Deckschicht
7 belegt, wie dies in Fig. 4 angedeutet ist.
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In F i g. 5 ist eine weitere Form des reflexionsfreien Abschlusses
gemäß der Erfindung dargestellt.
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Sie ist für Transversal- und Drehbewegungen gleichermaßen wirksam.
In Fig. 5 liegt zwischen den freien Enden der Deckschichten 1, 2 der Sandwichplatte
eine weitere Sandwichplatte mit dem drucksteifen, aber biegeweichen Kern 9 und den
zugsteifen Deckschichten 8, die in der Halterung 4 starr befestigt sind. Zwischen
den Deckschichten 8 und den Deckschichten 1, 2 der strahlenden Platte befinden sich
die Dämpfungsschichten 5, durch die hier zugleich die statische Last der strahlenden
Platte aufgenommen wird. Diese Dämpfungsschichten erzeugen Verluste, wenn sie durch
Schub deformiert werden.
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Schubdeformationen treten aber bei dieser Anordnung sowohl bei Transversalbewegnngen
der Platte (S-förmige Deformation der freien Enden, F i g. 5 a) wie auch bei Drehbewegungen
auf (Längsverschiebung der freien Enden, Fig. 5b). Beide Bewegungskomponenten werden
damit gedämpft.
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Um beide Bewegungskomponenten unabhängig voneinander dämpfen zu können,
wie das z. B. in der Ausführung gemäß F i g. 3 möglich ist, kann man gemäß der Erfindung
auch die Anordnungen nach F i g. 2 und F i g. 5 miteinander kombinieren, wie das
in F i g. 6 dargestellt ist. Dabei wird im Bereich des Kernes 9 durch die Dämpfungsschichten
5 a vornehmlich die Drehbewegung, im kernlosen Bereich durch die Dämpfungsschichten
5 vornehmlich die Transversalbewegung gedämpft.
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Im folgenden werden Beispiele für Ausführung und Anordnung des Erregersystems
des Lautsprechers gegeben. Als Erregersystem für den Richtstrahler kann im Prinzip
ein beliebiger Schwingungserreger 10 verwendet werden, der - wie dies F i g. 7 andeutet
- mit einem Ende der Platte P verbunden ist.
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F i g. 8 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer solchen Anordnung. In
einem Hohlraum im Kern 3 des strahlenden Richtelements ist an einem Plattenende
ein -im Schnitt gezeichnetes - dynamisches Erregersystem untergebracht. Der Spulenträger
11 ist durch den durchbohrten Ringspaltmagnet 14 hindurchgeführt und an beiden Seiten
starr mit den bei 15 örtlich verstärkten Deckschichten 1 und 2 verbunden.
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Am Spulenträger sind sternförmig angeordnete Blattfedern 12 befestigt,
die den Ringspaltmagnet tragen.
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Sobald durch die Spule 13 ein Strom fließt, schwingt der Magnet in
Richtung senkrecht zu den Deckschichten 1 und 2 der Sandwichplatte und erregt wegen
seiner Massenträgheit die Platte. Da die Masse der Platte vergleichsweise gering
ist, bleibt bei frei aufgehängter Platte der schwere Magnetkörper 14 praktisch in
Ruhe. Soll der Strahler in horizontaler Lage betrieben werden, steht also die Spulenträgerachse
11 vertikal, so müssen die Federn 12, z. B.
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durch eine unter dem Magneten angebrachte Spiralfeder entlastet werden,
die das Gewicht des Magnetkörpers trägt, damit die Spule nicht aus dem Ringspalt
austritt.
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Nach einem neuen und besonders vorteilhaften Vorschlag der Erfindung
dienen als Erregersystem ein oder mehrere piezoelektrische Biegeschwinger, die zwischen
den überstehenden Enden der Deckschichten der Sandwichplatte untergebracht sind.
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F i g. 9 zeigt ein Ausführungsbeispiel dieser Erregeranordnung. Der
piezoelektrische Biegeschwinger 14 ist in der Halterung 4 der Platte starr befestigt
und gelenkig an die Kernschicht 3 angeschlossen.
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Eine abgewandelte Lösung besteht darin, daß man bilaminare Biegeschwinger
benutzt, die in zwei Hälften ihrer Länge entgegengesetzt polarisiert oder erregt
sind, daß sie sich 5-förmig biegen, also in gleicher Weise wie die überstehenden
eingespannten Enden der Deckschichten 1 und 2 (vgl. F i g. 5), so daß keine störenden
Reaktionskräfte auftreten.
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Derartige Biegeschwinger 15 a können, wie in F i g.
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10 gezeigt, an beiden Seiten starr befestigt werden.
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Weiter ist es wegen der konformen Auslenkungen möglich, die Kristalle
15 b unmittelbar mit den überstehenden Enden der Deckschichten 1 und 2 zu verbinden,
wie dies in F i g. 11 dargestellt ist.
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Bei Verwendung von piezoelektrischen Erregern sind Dämpfungsmittel
5 für einen refiexionsfreien Abschluß noch wichtiger als bei einem dynamischen Erreger,
weil letzterer wegen seines kleinen elektrischen Innenwiderstandes zur Dämpfung
der Transversalbewegung mit herangezogen werden kann.
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Die als Richtelement dienende langgestreckte Sandwichplatte muß zur
Vermeidung von Querschwingungen relativ schmal gehalten werden und dürfte in der
Praxis etwa 10 cm breit sein. Diese geringe Breite macht zur Erzielung eines ausreichenden
Wirkungsgrades den Einbau der Platte in eine geschlossene Fläche (Decke, Wand) oder
in eine Schallwand erforderlich (Fig. 12). Der zwischen schwingender Platte und
Schallwand entstehende Schlitz kann durch einen Leinwand-, Kunststoff- oder Gummistreifen
abgedeckt werden, wobei dieser zugleich eine gewisse Dämpfung der fortschreitenden
Transversalwellen auf der Platte bewirken kann, die bei unzureichender Abschluß
dämpfung die Frequenzkurve und auch die Richtcharakteristik - Vermeidung von Nebenkeulen
- verbessern kann.
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Lautsprecher gemäß der Erfindung haben eine um so schärfer gerichtete
Strahlung, je größer ihre Länge
ist. Sie sind gut geeignet zur Beschallung langgestreckter
Räume, zur Beschallung von Bahnsteigen, aber auch für Kirchen und andere hohe Räume,
wenn eine Abstrahlung in die Höhe des Raumes und der damit verbundene lange Nachhall
unterdrückt werden sollen.
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Eine interessante Anwendung des Richtlautsprechers ist die Wiedergabe
stereofoner Aufzeichnungen oder Sendungen. Für diesen Zweck werden beide Enden der
langgestreckten Sandwichplatte mit Erregersystemen bestückt, so daß die den beiden
Stereo-Kanälen entsprechenden Transversalwellen gegeneinanderlaufen. Da die Überlagerung
beider Wellen auf der Platte ohne störende Wechselwirkung erfolgt und die jeweilige
Welle am gegenüberliegenden Plattenende nicht reflektiert wird, strahlt die Platte
beide Wellen unter dem oben definierten Winkel gegen die Laufrichtung ab. Im Gegensatz
zu einer Stereowiedergabe über zwei Einzellautsprecher bleibt - wie aus Fig. 13
erkennbar - bei einem Richtlautsprecher dieser Art der Winkelbereich 1800 bis 2
os aus dem der Schall den Hörer erreicht, in dem relativ großen Raumbereich unabhängig
vom Ort des Hörers, und es ist in dem gleichen Raumbereich möglich, einen Mitteneindruck
wiederzugeben. Bei der Wiedergabe über zwei Lautsprecher wird ersteres. nur auf
einem Kreisbogen (vgl. F i g. 14), letzeres nur in der Mittelebene erreicht.
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Die eben erläuterten Verhältnisse wurden durch das Experiment voll
bestätigt und sogar noch dahingehend ergänzt, daß der langgestreckte Richtlautsprecher
eine sehr viel differenziertere Richtungserkennung ermöglicht als die Wiedergabe
über zwei Lautsprecher üblicher Art, bei der der Richtungseindruck bei änderung
der Intensität eines Kanals sehr plötzlich von einem Extrem in das andere überspringt.